konstrukcje kablobetonowe - Instytut Materiałów i Konstrukcji

Komentarze

Transkrypt

konstrukcje kablobetonowe - Instytut Materiałów i Konstrukcji
Rafał SIEŃKO*
KONSTRUKCJE KABLOBETONOWE
1. Wstęp
Beton jest materiałem, który charakteryzuje się wysoką wytrzymałością na ściskanie,
natomiast jest nieodporny na naprężenia rozciągające. Stosunek wytrzymałości na
rozciąganie do wytrzymałości na ściskanie wynosi, dla betonów zwykłych, ok. 0,10 do 0,20.
Za wyeliminowanie tej niedoskonałości konstrukcji betonowej w elemencie żelbetowym
odpowiedzialne jest zbrojenie. Wadą elementów żelbetowych (w szczególności
w przypadku elementów zginanych, rozciąganych i skręcanych) jest jednak stosunkowo
późne włączanie się do współpracy stali zbrojeniowej, która zaczyna efektywnie przenosić
siły dopiero w momencie, gdy element zostaje zarysowany w strefie naprężeń
rozciągających. Zarysowanie to powoduje „uszkodzenie” konstrukcji, które nie pozostaje
oczywiście bez wpływu na sposób jej dlaszej pracy. Przede wszystkim dochodzi do istotnej
redukcji sztywności elementu, która dla elementów zginanych ulega średnio ok. 5-cio
krotnemu zmniejszeniu, a dla elementów skręcanych – nawet 40-sto i więcej krotnemu. Nie
bez znaczenia jest także obniżenie trwałości konstrukcji powodowane umożliwieniem
wnikania przez powstałe rysy substancji stymulujących procesy korozji stali. Próba
ograniczenia szerokości rozwarcia rys do wartości mniejszej niż 0,3mm powoduje
gwałtowny wzrost ilości stali zbrojeniowej. W przypadku konieczności zapewnienia
szczelności konstrukcji (wk≤0,1mm) zapotrzebowanie na stal jest tak duże, że może okazać
się, iż trudno będzie rozmieścić pręty zbrojeniowe w przekroju elementu z zachowaniem
warunków konstrukcyjnych.
Kolejnym etapem na drodze doskonalenia konstrukcji z betonu było wprowadzenie do
praktycznego stosowania konstrukcji sprężonych. W elementach tych wprowadzona została
dodatkowa zewnętrzna siła, której zadaniem jest minimalizacja niekorzystnego
oddziaływania naprężeń rozciągających. Pierwsze zastosowania sprężenia, jako sposobu
redukcji naprężeń rozciągających w elementach zginanych, miały miejsce praktycznie
równocześnie w Stanach Zjednoczonych (P.H. Jackson 1872) – rys. 1 oraz w Niemczech
(C.W. Döhring 1888). Pomysły te nie znalazły jednak powszechnego zastosowania z uwagi
*
dr inż., Politechnika Krakowska
1
na używanie do sprężania tzw. „zwykłej” („miękkiej”) stali charakteryzującej się wysoką
relaksacją i stosunkowo niską wytrzymałością. Dopiero francuski inżynier Eugéne
Freyssinet (1879-1962) jako pierwszy dostatecznie zbadał zachodzące w konstrukcji
sprężonej zjawiska reologiczne i wykazał konieczność stosowania do sprężania stali
o wysokiej wytrzymałości [1]. Prawdziwy rozwój żelbetowych konstrukcji sprężonych miał
miejsce na świecie dopiero po II wojnie światowej. W Polsce ten typ konstrukcji został
wprowadzony do powszechnego stosowania w latach 50-tych XXw.
Rys. 1. Schemat konstrukcji belki łukowej sprężonej cięgnem prętowym – patent P.H.
Jacksona 1872
2. Definicja konstrukcji kablobetonowych
Jeżeli w żelbetowy element monolityczny lub prefabrykowany, wykonany w całości lub
w segmentach, wprowadzimy po stwardnieniu betonu siły wywołujące w nim osiowe lub
mimośrodowe ściskanie, to taki element nazwiemy konstrukcją kablobetonową. Sprężenie
wykonuje się obecnie zazwyczaj przy zastosowaniu cięgien ze stali o wysokiej
wytrzymałości, podejmowane są również coraz szersze próby wdrażania cięgien
niemetalicznych.
Cięgna sprężające (kable sprężające) mogą być prowadzone wewnątrz lub na zewnątrz
elementu konstrukcyjnego oraz mogą być z nim zespolone (zsolidaryzowane) w każdym
przekroju poprzecznym lub nie. Zespolenie cięgien prowadzonych wewnątrz przekroju
poprzecznego elementu z betonem uzyskuje się najczęściej przez wypełnienie kanałów
kablowych, którymi prowadzone są cięgna sprężające, modyfikowanym zaczynem
cementowym. W przypadku cięgien zewnętrznych, zapewnienie współpracy stali z betonem
uzyskuje się poprzez wykonanie warstwy dodatkowego betonu. Ten typ konstrukcji, po
niepowodzeniach związanych ze sprężaniem zbiorników przez nawijanie, w Polsce nie jest
stosowany, natomiast na świecie wykonuje się w ten sposób rury dużych średnic do
transportu materiałów płynnych.
Ostatnio obserwuje się stosunkowo duży rozwój konstrukcji kablobetonowych
z cięgnami sprężającymi prowadzonymi wewnątrz lub na zewnątrz ich przekroi
poprzecznych, jednak nie zespolonych z nimi. Cięgna te nazywane są
bezprzyczepnościowymi, stosowane są jako pojedyncze sploty lub ich zestawy, przy czym
każdy splot znajduje się w oddzielnej osłonce wykonanej z tworzywa sztucznego. Ze
względu na brak kontaktu stali sprężającej z betonem, konieczne jest stosowanie innego
sposobu ochrony antykorozyjnej cięgien. Pomiędzy osłonką z tworzywa sztucznego
2
a cięgnem sprężającym znajduje się kompozycja parafin, wosków i smarów, najczęściej
posiadająca w swym składzie inhibitory korozji.
Konstrukcje sprężone z cięgnami posiadającymi przyczepność do betonu,
w przeciwieństwie do elementów sprężonych cięgnami bez przyczepności, bardzo dobrze
zachowują się w przypadku wystąpienia miejscowego uszkodzenia pojedynczego drutu
splotu lub nawet całego splotu [2]. Na skutek współpracy cięgien z otaczającym go betonem
dochodzi do redystrybucji sił i przekazania ich na sąsiednie cięgna. Doświadczenie
pokazuje, że nawet w przypadku zerwania zakotwień wszystkich cięgien, jeżeli tylko
iniekcja została wykonana poprawnie, tzn. wypełnia szczelnie każdy kanał kablowy, może
nie dojść do awarii elementu. Naprężenia przyczepności pomiędzy stalą sprężającą
a iniekcją cementową są na tyle duże, że zapewniają bezpieczne przekazanie sił z betonu na
cięgna sprężające, pomimo wyłączenia z pracy zakotwień.
W elementach sprężonych cięgnami nie posiadającymi przyczepności do betonu, cała
siła sprężająca przekazywana jest w miejscach zastosowania zakotwień. Na skutek braku
współpracy cięgien z otaczającym je betonem, uszkodzenie cięgna w jednym przekroju
powoduje praktycznie identyczny spadek siły na całej długości kabla. Podobnie reaguje
konstrukcja na zniszczenie zakotwienia. Po jego uszkodzeniu dochodzi do wyeliminowania
z pracy całego cięgna sprężającego. Bardzo istotną zaletą stosowania tego typu cięgien jest
natomiast możliwość ich wymiany. Obecnie, w procesie projektowania szczególnie
odpowiedzialnych i/lub monumentalnych obiektów, zwraca się bardzo dużą uwagę na
możliwość prowadzenia ich remontów po kilkudziesięciu latach użytkowania, często przy
założeniu braku możliwości wyłączania z eksploatacji obiektu. Zatem już dziś przewiduje
się, że w przyszłości, na skutek zachodzących procesów fizycznych powodujących ciągły
spadek stanu technicznego wszystkich elementów konstrukcji, konieczne może być
przeprowadzenie wymiany cięgien. Cięgna bezprzyczepnościowe umożliwiają również
projektowanie elementów, w których konieczne będzie korygowanie wartości siły
sprężającej w trakcie ich eksploatacji. Z takim przypadkiem możemy mieć do czynienia np.
podczas wzmacniania konstrukcji przez sprężenie.
Niezależnie od rodzaju cięgien sprężających (z przyczepnością lub bez niej),
wprowadzenie sił ściskających w element żelbetowy ma za zadanie minimalizację
niekorzystnych skutków powodowanych przez główne naprężenia rozciągające. Sprężenie
zatem w istotny sposób może zwiększyć nośność elementów z uwagi na zginanie, ścinanie,
rozciąganie, skręcanie i przebicie. Projektuje się również jako sprężone elementy
podlegające mimośrodowemu ściskaniu. Elementy sprężone w większości pracują w stanie
nie zarysowanym, posiadają zatem większe sztywności, co powoduje ich mniejsze ugięcia
w stosunku do analogicznych elementów żelbetowych.
W przypadku elementów zginanych, cięgna sprężające prowadzone są w taki sposób,
by w każdym przekroju poprzecznym, w miarę możliwości, niwelować główne naprężenia
rozciągające. Zabieg ten powoduje (w zależności od podejścia projektowego i typu
konstrukcji) całkowite lub częściowe wyeliminowanie zarysowania konstrukcji (sprężenie
pełne lub częściowe), co wydatnie ogranicza redukcję sztywności na zginanie
analizowanego elementu. „Zysk” jest zatem dwojaki”:
– po pierwsze, konstrukcja nie posiada rys, a więc jest szczelna, dzięki czemu dużo
bardziej odporna na destrukcyjny wpływ środowiska zewnętrznego (szczególnie
w stosunku do stali zbrojeniowej),
3
–
po drugie, ugięcia konstrukcji są znacznie mniejsze, bo stanowią w zasadzie efekt
pracy sprężystej elementu (faza I) z uwzględnieniem wpływów reologicznych
(pełzania betonu).
Projektowanie żelbetowych elementów zginanych jest ograniczone ich rozpiętością.
Zależność ta jest spowodowana znacznym wzrostem ciężaru własnego konstrukcji
w przypadku dużych rozpiętości. Zwiększanie odległości podpór powoduje wzrost momentu
zginającego (w kwadracie rozpiętości) oraz znaczny wzrost ugięcia (przykładowo wartość
ugięcia sprężystego elementu obciążanego równomiernie rozłożonym na jego długości
obciążeniem poprzecznym rośnie w funkcji czwartej potęgi jego rozpiętości). Zatem nie
możliwe jest zaprojektowanie żelbetowego elementu zginanego o dowolnej (znacznej)
długości. Można przyjąć, że przyjmowanie rozpiętości większych od 18m dla elementów
belkowych oraz ok. 10m dla elementów płytowych jest już nieekonomiczne.
W przeciwieństwie do elementów strunobetonowych, gdzie cięgna są zazwyczaj
prostoliniowe, w elementach kablobetonowych możemy praktycznie w dowolny sposób
kształtować trasy poszczególnych cięgien. Dzięki krzywoliniowym przebiegom tras (rys. 2)
możliwa jest redukcja wartości sił ścinających w belkach oraz przebijających w płytach.
Redukcja ta może być na tyle istotna, że nie będzie obliczeniowo konieczne zastosowanie
zbrojenia na ścinanie czy przebicie.
PA
A
+
P
r
B P
B
R1
R3
+
dP
ds
R2
Rys. 2. Oddziaływanie wewnętrznego cięgna sprężającego podczas jego naciągu [3]
Jeszcze większe „korzyści” sprężenia obserwujemy w przypadku elementów
skręcanych. Bardzo duża redukcja sztywności skrętnej elementów żelbetowych powoduje,
że kąty obrotów tych elementów na skutek oddziaływania momentu skręcającego są bardzo
duże. W zasadzie można powiedzieć, że próby ograniczenia skręcenia konstrukcji poprzez
zwiększanie stopnia zbrojenia podłużnego i poprzecznego są niecelowe, gdyż wpływ
stopnia zbrojenia na kąt skrętu jest bardzo mały. Jedynym efektywnym sposobem kontroli
kąta skręcenia jest zastosowanie, w przypadku elementów, dla których wiodącą siłą
poprzeczną jest moment skręcający – rys. 3, sprężenia podłużnego [4].
Pozytywny efekt sprężenia jest bardzo widoczny w przypadku konstrukcji poddanych
osiowemu lub mimośrodowemu rozciąganiu. Takimi elementami są między innymi ściągi
i kołowe zbiorniki na materiały sypkie i ciecze – rys. 4. W przypadku konieczności
zapewnienia szczelności zbiornika na ciecz, wpływ sprężenia jest nie do przecenienia.
Wprowadzając siłę sprężającą o kontrolowanej wartości można ograniczać, a nawet
całkowicie eliminować występowanie rys skurczowych, co jest bardzo istotne dla
szczelności i trwałości zbiornika [5]. Przejęcie sił rozciągających w trwałej
(eksploatacyjnej) sytuacji obliczeniowej przez cięgna sprężające zapewnia utrzymanie
szczelności konstrukcji pod wszystkimi kombinacjami obciążeń. Utrzymanie naprężeń
4
ściskających w całym przekroju poprzecznym dodatkowo powoduje istotny wzrost trwałości
zbiornika na skutek zmniejszenia liczby uszkodzeń betonu (beton niezarysowany jest mniej
wrażliwy na uszkodzenia korozyjne) oraz ograniczenia do minimum możliwości wnikania
substancji agresywnych w pobliże zbrojenia miękkiego i sprężającego (brak rys). Biorąc
pod uwagę ewidentne zalety sprężenia, wydaje się, że nie będzie przesadnym stwierdzenie,
że wszystkie kołowe, żelbetowe zbiorniki na ciecze powinny być projektowane wyłącznie
jako sprężone. Do indywidualnej analizy każdego przypadku należy przyjęcie sposobu
wprowadzenia siły sprężającej. Możliwe jest zastosowanie cięgien sprężających
wewnętrznych z przyczepnością lub bez oraz zewnętrznych cięgien bez przyczepności.
a)
b)
Rys. 3. Konstrukcje, w których moment skręcający stanowi podstawową siłę przekrojową
[4]
Rys. 4. Bateria zbiorników – podstawowa siła przekrojowa to równoleżnikowe rozciąganie
5
3. Historia stosowania konstrukcji kablobetonowych w Polsce
Powojenna historia Polski związana jest z odbudową naszego kraju po zniszczeniach
wojennych oraz budową nowej infrastruktury przemysłowej, dydaktycznej, sportowej itd.
Występujący deficyt stali zbrojeniowej oraz ogólnoświatowa tendencja do projektowania
niskochłonnych materiałowo konstrukcji były bodźcem do poszukiwania nowoczesnych,
alternatywnych w stosunku do konstrukcji stalowych i klasycznych żelbetowych, rozwiązań
konstrukcyjnych. W latach 50-tych XXw. teoria żelbetowych konstrukcji sprężonych była
w Polsce już bardzo dobrze znana, zarówno od strony teoretycznej, jak i praktycznej. Duże
zasługi położyli tutaj W. Olszak, S. Kauffman, W. Zalewski, Z. Zieliński i St. Kuś. Już 10
lat od zakończenia wojny rozpoczęto w naszym kraju na masową skalę produkcję różnego
typu elementów sprężonych – kablobetonowych i strunobetonowych. Produkowano
dźwigary o różnych rozpiętościach i kształcie, płyty dachowe i stropowe oraz belki
podsuwnicowe, w późniejszym okresie również podkłady kolejowe, słupy trakcyjne, rury
i inne. Równocześnie powstawały konstrukcje projektowane indywidualnie, w których
wykorzystywano beton sprężony. Powstawały zbiorniki, hale widowiskowo-sportowe, hale
targowe, skocznie narciarskie i wiele innych obiektów o często śmiałej i wysublimowanej
konstrukcji. Oczywiście nie ustrzeżono się błędów. Dziś można stwierdzić, że ówczesna
technologia nie nadążała za wysokimi wymaganiami stawianymi jej przez konstrukcje
sprężone. Również ówcześni projektanci i wykonawcy zapewne nie do końca zdawali sobie
sprawę ze specyficznych wymagań materiałowych i jakościowych, które trzeba uwzględniać
przy wykonywaniu elementów sprężonych. W związku z tym pojawiły się usterki, a nawet
awarie obiektów, w których zastosowano elementy kablobetonowe. Należy jednak
zaznaczyć, że podobne doświadczenia miały praktycznie wszystkie kraje ówczesnej Europy,
gdzie wdrażano beton sprężony.
3.1. Dźwigary kablobetonowe typu KBO i KBOS
Już w latach 50-tych XXw. zostały wprowadzone do powszechnego stosowania Polsce
w budownictwie przemysłowym lekkie prefabrykowane dachowe dźwigary kablobetonowe
KBO i KBOS, sprężone kablami o zakotwieniach stożkowych [6]. Pas górny tych
dźwigarów miał kształt paraboliczny, dostosowany do linii przebiegu momentu, natomiast
pas dolny – kształt prostoliniowy. Kable sprężające 12φ5mm lub wyjątkowo 18φ5mm,
których liczba zależała od typu dźwigara, prowadzone były w kanałach wewnętrznych pasa
dolnego. Po sprężeniu cięgien otwory wypełniane były iniekcją z zaczynu cementowego.
Dźwigary produkowane były o rozpiętościach 15, 18, 21 oraz 24m i mogły być jednoczęściowe (KBO) lub składane z segmentów (KBOS) – rys. 5 i 6. Widok typowej hali
z wbudowanymi dźwigarami KBOS-24 pokazano na rys. 7.
Dźwigary te zostały zaprojektowane w Biurze Studiów i Projektów Typowych
Budownictwa Przemysłowego w Warszawie przez zespół w składzie: Zalewski W.,
Zieliński Z., Kuś S., Włodarz A. Za opracowanie projektu typowych dźwigarów dla
przekryć budynków przemysłowych projektanci otrzymali w 1956r. nagrodę II stopnia
Komitetu do spraw urbanistyki i architektury. Projekty dźwigarów zostały wprowadzone do
katalogów [7] oraz zalecone do powszechnego stosowania.
W bardzo krótkim czasie (w zasadzie od 1956 do 1966r.) wzniesiono w Polsce ok. 850
obiektów z zastosowaniem dźwigarów kablobetonowych (ok. 10 000 szt.) jako elementów
nośnych konstrukcji dachów. Pewne usterki konstrukcyjne tych dźwigarów, brak należytej
6
staranności przy wznoszeniu obiektów sprężonych przez wykonawców, i wreszcie, nie
przestrzeganie podstawowych zasad właściwej eksploatacji hal w trakcie ich użytkowania,
doprowadziło w wielu przypadkach do zaniżenia stanu technicznego dźwigarów
kablobetonowych.
KBO-15
1496
KBOS-15
1496
1796
KBOS-18
1796
2095
KBOS-24
2396
Rys. 5. Widoki typowych dachowych dźwigarów kablobetonowych KBO i KBOS
KBO-18
KBOS-18
KBOS-21
KBOS-24
25
30
35
40
9.5
7.5
34
111
187
160
140
99
165
27
20
90
140
39
30
20
42
20
25
15.5
15.5
12.5
8.3
20
120
77.5
115.4
18
7.1
100
11.5
KBO-15
KBOS-15
31
Rys. 6. Przekroje poprzeczne dachowych dźwigarów kablobetonowych KBO i KBOS
7
Rys. 7. Widok typowej hali z wbudowanymi dźwigarami KBOS-24
Ostatecznie, w latach sześćdziesiątych, w krótkim odstępie czasu miało miejsce pięć
katastrof budowlanych. W części z nich stan awaryjny sygnalizowany był głośnym
pękaniem kabli sprężających, dzięki czemu zdołano zapobiec zawaleniu się obiektów, część
katastrof niestety nastąpiła nagle i bez ostrzeżenia. Zdarzenia te spowodowały spadek
zaufania do konstrukcji sprężonych i w ostateczności, w końcu lat sześćdziesiątych
zaniechano stosowania elementów kablobetonowych jako konstrukcji przekryć dachowych.
Jak wykazały przeprowadzone badania, bezpośrednią przyczyną katastrof była obecność
chlorków i wilgoci w otulinie kabli. Współdziałanie tych dwóch czynników doprowadziło
do szybkiego rozwoju korozji wżerowej stali sprężającej, a w konsekwencji do zerwania
kabli po 1 – 5 lat od wbudowania dźwigarów w konstrukcje.
W 1966 roku przeprowadzono kompleksową kontrolę wszystkich konstrukcji
kablobetonowych w Polsce, mającą na celu ocenę ich stanu technicznego. W jej wyniku
opracowano raport, według którego stan techniczny ok. 45% konstrukcji kablobetonowych
budził wątpliwości i zastrzeżenia. Należy tu zwrócić uwagę, że większość kontrolowanych
obiektów było wzniesionych po roku 1960 (ok. 80%), czyli w trakcie przeprowadzanej
oceny ich poprawnej pracy, dźwigary w nich wbudowane miały dopiero kilka lat.
Obecnie, po około pięćdziesięciu latach eksploatacji obiektów, bardzo często dochodzi
do konieczności kontroli stanu technicznego dźwigarów oraz potrzeby wyznaczenia ich
nośności. Działania te mogą wynikać z przepisów Prawa Budowlanego, nakazującego
wykonywanie co 5 lat przeglądów konstrukcji obiektów budowlanych lub stanowić część
ekspertyzy o możliwości zmiany sposobu wykorzystania danego obiektu.
Szczególnie ważnym problemem jest występowanie zjawisk korozyjnych stali
sprężającej. Według raportu z 1966 r., aż w 32% badanych konstrukcji stwierdzono
nieobetonowane zakotwienia, a w 12% – występowanie zarysowań pasa dolnego. Bardzo
częstym błędem, nie wykazanym w raporcie, było niewypełnianie lub jedynie częściowe
wypełnianie kanałów kablowych zaczynem cementowym. Po kilkudziesięciu latach pracy
dźwigarów, przy zmieniającym się środowisku w halach, w następstwie zawilgacania
8
dźwigarów oraz w wyniku innych czynników, możemy mieć do czynienia z korozją stali
sprężającej, a tym samym spadkiem ich ogólnie pojętej nośności. Problem oceny stanu
technicznego konstrukcji z wbudowanymi dźwigarami kablobetonowymi jest zagadnieniem
trudnym, a jednoznaczne określenie stopnia wytężenia poszczególnych elementów obiektu
praktycznie niemożliwe. Należy zwrócić uwagę, że skala problemu jest bardzo duża (ok. 10
000 dźwigarów w całej Polsce), dlatego warto temu zagadnieniu poświęcić więcej uwagi.
Przyjęcie właściwego modelu teoretycznego, bliskiego rzeczywistemu zachowaniu się
dźwigarów [8], w bezpośredni sposób wpływa na określenie ich nośności. Zbyt przybliżone
schematy statyczne oraz niewłaściwie interpretowane wyniki badań, wielokrotnie były już
przyczyną podejmowania decyzji o konieczności wzmocnienia lub rozbiórki całych
obiektów.
Bardzo częstym sposobem weryfikacji stanu technicznego różnego typu dźwigarów jest
pomiar ich ugięcia. Tego typu badania wykonywane są również standardowo dla
elementów KBO i KBOS. Należy wyraźnie zwrócić uwagę, że pomiar ten jest bardzo trudny
do interpretacji z uwagi na dużą sztywność prefabrykowanego przekrycia dachowego,
szczególnie w przypadku braku świetlików dachowych. Przemieszczenia pionowe
analizowanych dźwigarów kablobetonowych są bardzo małe w stosunku do ich rozpiętości.
Wielkości te wynoszą dla przypadku zerwania jednego cięgna w pasie dolnym od ok.
1/19800 dla dźwigara KBOS-24 do ok. 1/5500 dla dźwigara KBO-15 [2].
Na rysunku przestawiono zależność ugięć dźwigara typu KBOS-18 zabudowanego
w hali poddanej badaniom w skali naturalnej [2] od liczby przeciętych drutów kabli
sprężających .
Liczba zerwanych drutów
Ugięcie dźwigara S [mm]
0
6
12
18
24
30
36
42
48
54
0
-5
-10
-15
-20
-25
Badania
kabel K1 - druty 1-12
kabel K2 - druty 13-24
kabel K3 - druty 25-42
kabel K4 - druty 43-54
Rys. 8. Wykres zależności ugięcia dźwigara KBOS-18 od liczby przeciętych drutów kabli
sprężających
Zerwanie dwóch z czterech kabli spowodowało ugięcie środka rozpiętości dźwigara
zaledwie o ok. 3,7mm. Należy zwrócić uwagę, że tego samego rządu były zarejestrowane
w czasie rocznych cyklicznych badań [9], przemieszczenia pasów dolnych dźwigarów
KBOS-24 spowodowane różnicą temperatur. Zmiana temperatury zaledwie o 10oC
powodowała zmianę przemieszczeń aż o 2mm. Jeszcze większe przemieszczenia wywołane
oddziaływaniem termicznym mogą mieć miejsce w przypadku słabej izolacji termicznej
ułożonej pod pokryciem dachowym. Operacja słoneczna powoduje znaczne nagrzanie papy
(najczęściej stosowanego pokrycia dachowego dla tego typu obiektów) – nawet do ponad
60oC. Temperatura pokrycia przejmowana jest w dużej części przez cienkie żebrowe płyty
dachowe (grubość płytki tych elementów prefabrykowanych wynosi 2,5cm) o stosunkowo
9
małej bezwładności cieplnej. Na skutek różnicy temperatur między płytami a dźwigarami
dochodzi do znacznego „wygięcia” dźwigarów do góry, co powoduje zmniejszenie strzałki
ich ugięcia nawet o 4 do 5mm (obserwacje własne autora). Jeżeli pomiar ugięć zostanie
zatem wykonany w okresie letnim, a pomiar kontrolny w okresie zimowym, przyrost
względny przemieszczeń może wynosić na skutek samych oddziaływań termicznych nawet
4 do 5mm. Stąd generalne zalecenie o konieczności prowadzenia geodezyjnych pomiarów
ugięć w okresach wiosennych i jesiennych, przy możliwie identycznych temperaturach
wewnątrz i na zewnątrz ocenianych obiektów.
Ze względu na bardzo dużą sztywność konstrukcji przekrycia dachowego, podczas
zarysowania pasów dolnych dźwigarów, ugięcia również osiągają bardzo małe wartości. Dla
badanego dźwigara typu KBOS-18 [2], w momencie zarysowania pasa dolnego
spowodowanego obciążeniem przykładanym do pasa górnego tego dźwigara,
przemieszczenie w dół wynosiło zaledwie ok. 4mm.
Podsumowując, jeszcze raz należy stwierdzić, że ze względu na bardzo małe wartości
ugięć dźwigarów kablobetonowych spowodowanych zrywaniem cięgien sprężających oraz
obciążeniami zewnętrznymi, bardzo trudna staje się ocena bezpieczeństwa tych konstrukcji
na podstawie analizy przemieszczeń. Jedynie w przypadku cyklicznych pomiarów,
prowadzonych przy tych samych temperaturach powietrza zewnętrznego i wewnętrznego,
a dokładniej – przy tych samych temperaturach betonu dźwigarów i płyt dachowych,
możliwe jest wychwycenie zagrożenia bezpieczeństwa dźwigarów poprzez rejestrację ich
ugięć. Pomiary te mogą jednak być obarczone błędami, spowodowanymi między innymi
brakiem ich zależności od wilgotności powietrza i wilgotności betonu, czy ewentualnymi
przemieszczeniami fundamentów lub słupów.
4. Wymagania stawiane materiałom stosowanym do wykonywania konstrukcji
kablobetonowych
Konstrukcje kablobetonowe, by właściwie pracowały i charakteryzowały się
zadowalającą trwałością, muszą być wykonywane z materiałów o ściśle sprecyzowanych
parametrach. Niedotrzymywanie wymaganych projektami reżimów technologicznych
i wymagań materiałowych było powodem wielu usterek, a nawet awarii konstrukcji
sprężonych. Dziś chyba nikt nie ma już wątpliwości, że materiały stosowane
w konstrukcjach kablobetonowych muszą być najwyższej jakości.
4.1. Beton
Podstawowym materiałem konstrukcji kablobetonowej jest beton. Materiał ten
poddawany jest znacznym naprężeniom ściskającym w momencie sprężenia, gdy jego wiek
wynosi zaledwie kilka dni lub nawet kilkadziesiąt godzin oraz w trakcie właściwej
eksploatacji, gdzie istotne jest zapewnienie jak najmniejszych odkształceń wywołanych
pełzaniem. Beton musi najczęściej (konstrukcje kablobetonowe z przyczepnością) zapewnić
ochronę antykorozyjną stali sprężającej i miękkiej oraz przejąć na siebie oddziaływanie
wysokich temperatur w momencie pożaru.
W celu spełnienia wymagań stawianych konstrukcji kablobetonowej beton musi spełniać
następujące wymagania [1]:
– wysoka wytrzymałość na ściskanie i rozciąganie,
– wysoki moduł sprężystości,
10
– małe odkształcenia opóźnione,
– szczelność.
Wysoka wytrzymałość na ściskanie związana jest bezpośrednio ze składem mieszanki
betonowej. Zaleca się stosowanie do tego typu betonów wyłącznie kruszyw łamanych ze
skał magmowych, tj. granitu, bazaltu, czasem diabazu i porfiru. W konstrukcjach
sprężonych stosuje się przede wszystkim cementy portlandzkie CEM I o szybkim przyroście
wytrzymałości na ściskanie wraz z domieszkami uplastyczniającymi, zwiększającymi
odporność na wpływy chemiczne oraz przyspieszającymi lub opóźniającymi przyrost
wytrzymałości w czasie. Polska norma [10], a także Eurokod 2 [11] zalecają przyjmowanie
jako minimalnej klasy betonu C30/37 (B30). W praktyce stosuje się betony o wyższych
parametrach mechanicznych, co wynika z potrzeby zapewnienia szybkiego osiągnięcia
przez beton minimalnej wytrzymałości na ściskanie, przy której możliwy jest naciąg cięgien
sprężających i związane z nim przejęcie przez beton dużych naprężeń wynikających
z docisku w strefie zakotwień. Wytrzymałość ta wynosi zazwyczaj 70 do 80% średniej
wytrzymałości 28-dniowej lub jest określana wprost jako wartość odpowiadająca fcm=30 do
35MPa. Wysoka wytrzymałość na ściskanie konieczna jest również ze względu na potrzebę
przeniesienia przez strefy ściskane elementów w sytuacji trwałej znacznych naprężeń
ściskających. Naprężenia te osiągają zazwyczaj wyższe wartości niż w konstrukcjach
żelbetowych. Przyjęcie wysokiej wytrzymałości betonu pozwala wreszcie na optymalne pod
względem ciężaru zaprojektowanie elementu sprężonego.
Obecnie, coraz częściej do wykonywania konstrukcji kablobetonowych, stosuje się
betony wysokowartościowe (BWW) i ultrawysokowartościowe (BUWW). Ze względu na
stosunkowo wysoki koszt tych materiałów, zastosowania konstrukcji kablobetonowych
z betonów BWW i BUWW wciąż są jednostkowe. Istnieją jednak szczególne typy
elementów, w których można wykorzystać właściwości jakie posiadają betony
wysokowartościowe – wysoka wytrzymałość na ściskanie i rozciąganie, duża odporność na
warunki atmosferyczne, czy szczelność.
Pochodną wytrzymałości na ściskanie jest wytrzymałość na rozciąganie. Wynosi ona,
dla betonów zwykłych, ok. 10 do 20% wytrzymałości na ściskanie. Pomimo stosunkowo
niskich wartości tej wytrzymałości, jej jak najwyższy poziom jest bardzo istotny dla
trwałości konstrukcji. Brak zarysowania elementu, zarówno w stadium początkowym pracy
(podczas naciągu cięgien), jak i w sytuacji trwałej, ma bezpośredni wpływ na
prognozowany okres do remontu konstrukcji.
Wysoki moduł sprężystości również związany jest ze składem mieszanki betonowej,
dlatego, do betonów sprężonych nie stosuje się np. kruszywa żwirowego. Jego wartość
bezpośrednio wpływa na poziom odkształceń sprężystych oraz opóźnionych, związanych ze
zjawiskiem pełzania. Ma on również duży wpływ na wartość strat siły sprężającej
wynikających z niejednoczesnego naciągu cięgien oraz procesów reologicznych
zachodzących w elemencie kablobetonowym.
Bardzo istotnym parametrem opisującym beton do konstrukcji sprężonych jest
współczynnik pełzania. Jego wartość decyduje o poziomie odkształceń opóźnionych
mających wpływ na wartości ugięć oraz straty reologiczne siły sprężającej. Im mniejsze
odkształcenia pełzania, tym niższe są straty i mniejsze ugięcia. Oczywiście, nie tylko skład
mieszanki betonowej ma wpływ na wartość współczynnika pełzania. Zależy on bowiem od
wilgotności względnej powietrza i stosunku podwojonej powierzchni przekroju
poprzecznego elementu do długości obwodu kontaktującego się z powietrzem 2Ac/U oraz od
wieku betonu w chwili naciągu cięgien – rys. 9 i 10.
11
Rys. 9. Wykres zależności wartości współczynnika pełzania od klasy betonu
i sprowadzonego wymiaru przekroju elementu 2Ac/U
Rys. 10. Wykres zależności wartości współczynnika pełzania od klasy betonu i wieku
betonu w chwili sprężenia elementu
Beton do konstrukcji sprężonych powinien charakteryzować się również niskimi
odkształceniami skurczowymi. Minimalizacja tej wielkości bezpośrednio wpływa na
zmniejszenie strat reologicznych wynikających ze skrótu elementu spowodowanego
skurczem betonu. Wartość odkształceń skurczowych związanych z odparowywaniem wody
z mieszanki betonowej zależy odwrotnie proporcjonalnie od wytrzymałości na ściskanie,
w przeciwieństwie do skurczu autogenicznego (związanego z wiązaniem chemicznym
12
wody), którego wartość wzrasta równocześnie ze wzrostem klasy betonu. Największy
wpływ na odkształcenia skurczowe ma jednak wilgotność względna powietrza, w którym
eksploatowany będzie element. Jej zmiana z 50 do 80% powoduje redukcję skurczu od
wysychania prawie dwukrotnie.
Parametr szczelności jest pochodną wytrzymałości na ściskanie. Beton, który posiada
wysoką wytrzymałość jest również bardzo szczelny pod względem przenikania wody.
Właściwość ta jest istotna z punktu widzenia trwałości konstrukcji, a w szczególności
trwałości zbrojenia miękkiego i sprężającego. Niedopuszczenie substancji stymulujących
korozję stali w bezpośrednie sąsiedztwo zbrojenia oraz wysoka zawartość alkaliów
w betonie stanowi bardzo dobre jej zabezpieczenie antykorozyjne.
W szczególnych przypadkach konieczne może być zastosowanie betonu o specjalnych
właściwościach koniecznych ze względu na rodzaj obiektu. Możliwe jest zatem
wyspecyfikowanie betonu o konkretnym stopniu wodoszczelności, odpornego na działanie
pewnych związków chemicznych czy żaroodpornego.
Ze względu na wysokie wymagania stawiane betonom stosowanym w konstrukcjach
kablobetonowych, w projekcie elementu sprężonego powinny się znaleźć przynajmniej
wytyczne określające skład mieszanki betonowej, przyrost wytrzymałości na ściskanie,
rozwój procesów egzotermicznych oraz oczekiwane właściwości związanego betonu.
W przypadku bardzo odpowiedzialnych konstrukcji, dla których np. z uwagi na
ograniczenie ugięć, konieczna jest znajomość rzeczywistych parametrów mechanicznych
mieszanki betonowej, a w szczególności modułu sprężystości, zalecane jest doświadczalne
(na podstawie próbnego zarobu) określenie właściwości betonu.
Szczegółowy opis właściwości, którymi powinien się charakteryzować beton sprężony
można znaleźć w [1].
4.2. Stal sprężająca
W XIXw., gdy pojawiła się idea konstrukcji sprężonych, nie została ona wdrożona do
zastosowania na masową skalę przede wszystkim z uwagi na problemy z utrzymaniem
trwałej siły sprężającej. Wtedy do „prężania”stosowaną stal o wytrzymałości ok. 200MPa
i relaksacji rzędu kilkunastu procent. Problem spadku siły w elementach sprężających nie
był istotny dla beczek dębowych będących pierwowzorem konstrukcji kablobetonowych,
gdyż ich kształt umożliwiał nabijanie, a więc dziś powiedzielibyśmy – doprężanie,
spinających ich obręczy (bednarek). W rzeczywistych, betonowych elementach sprężonych
zwiększanie naciągu cięgien podczas eksploatacji obiektu najczęściej jest niemożliwe
(konstrukcje z cięgnami z przyczepnością). Konieczne zatem było opracowanie technologii
umożliwiającej produkcję stali o wysokiej wytrzymałości i niskiej relaksacji. Uwzględnienie
strat siły sprężającej, zarówno doraźnych jak i reologicznych, powoduje bardzo istotną
redukcję wartości naprężeń w cięgnach. Gdybyśmy chcieli zastosować do sprężania stal
zwykłą o wytrzymałości rzędu 200MPa (próby takie były podejmowane w Polsce jeszcze
w latach 70-tych XXw.), to podczas naciągu wywołalibyśmy w niej odkształcenia
(wydłużenie) równe:
0,8 f pk 0,8 ⋅ 200
(1)
ε=
=
= 0,080%
Ep
200 000
13
czyli ok. 0,8mm/m długości elementu sprężonego. Tymczasem wartość końcowych
odkształceń skurczowych przy wilgotności względnej 50% wynosi przykładowo dla betonu
B30 aż 0,064. Nie wyznaczając wartości pozostałych strat można stwierdzić, że ich
sumaryczna wartość byłaby większa od siły naciągu. Oznacza to, że zastosowanie do
sprężenia elementów wykonanych ze stali o stosunkowo niskiej wytrzymałości nie może
być efektywne i musi skończyć się niepowodzeniem.
Szczegółowe wymagania stawiane stali sprężającej przedstawiono w innym referacie.
Tutaj podane zostaną wyłącznie podstawowe parametry stali, najistotniejsze z punktu
widzenia projektowania konstrukcji sprężonych.
4.2.1.
Charakterystyka cięgien sprężających
Obecnie do sprężania elementów kablobetonowych stosuje się sploty (rzadko liny) oraz
pręty sprężające – rys. 11.
Rys. 11. Widok splotów, lin i prętów stosowanych w przeszłości i obecnie do sprężania
konstrukcji [1]
Współcześnie sploty wykonywane są jako wielodrutowe – od 3 do kilkunastu drutów,
przy czym najczęściej stosuje się zestawy trzy i siedmiodrutowe (zgodnie z zaleceniem
[12]). Pojedyncze druty i sploty dwudrutowe obecnie nie są stosowane. Sploty produkowane
są przede wszystkim ze stali wysokowęglowych o wytrzymałości rzędu 1470 do 1860MPa.
Pręty sprężające mogą być wykonywane jako gładkie lub posiadać nawalcowania
zwiększające przyczepność do betonu lub umożliwiające stosowanie zakotwień
gwintowanych. Pręty wykonuje się ze stali stopowych o wytrzymałości rzędu 900 do
1230MPa i średnicy od 15 do kilkudziesięciu milimetrów.
W przeszłości stosowano do sprężania konstrukcji kablobetonowych kable składające
się z kilkunastu (najczęściej 12-stu lub 18-stu) drutów φ5mm rozmieszczonych na
14
obwodzie okręgu. Druty stabilizowane były początkowo spiralnie zwiniętym drutem
przypominającym sprężynę, później rozetami z tworzywa sztucznego. Do kotwienia
stosowano różnego typu modyfikacje zakotwień stożkowych Freyssineta – rys. 12.
a)
b)
Rys. 12. a) zakotwienie stożkowe typu Freyssinet (fot. Freyssinet), b) modyfikacja
rozwiązania oryginalnego – blok kotwiący i stożek stalowy (fot. autor)
Wadą tego typu kabli był brak możliwości zapewnienia jednakowej siły we wszystkich
drutach, szczególnie widoczne przy krótkich elementach sprężonych oraz utrudnione
prowadzenie w zakrzywionych kanałach. Współcześnie tego typu kable sprężające z drutów
kotwione zakotwieniami stożkowymi zostały wycofane z użycia, ale stanowią sprężenie
bardzo licznej grupy istniejących w Polsce elementów konstrukcyjnych (dźwigarów
dachowych, belek podsuwnicowych i wielu innych).
Podobne rozwiązanie do wyżej opisanych kabli drutowych z zakotwieniami stożkowymi
opracowała ponad 60 lat temu firma BBR. Kable również wykonane były z 14-stu do 102
prostoliniowych drutów, jednak ich średnica wynosiła 7mm, a zakotwienie zrealizowano
poprzez spęcznienie końcówek każdego z drutów (zakotwienie główkowe) – rys. 13.
a)
b)
Rys. 13. a) zakotwienie główkowe systemu BBRV (fot. BBR), b) spęczniona końcówka
(główka) pojedynczego drutu (fot. BBR)
Jest to jedyne rozwiązanie, które stosowane jest przez ponad pół wieku do chwili
obecnej z niewielkimi modyfikacjami. Ze względu na kotwienie zestawu drutów przy
pomocy gwintowanej nakrętki, wyeliminowano całkowicie stratę od poślizgu cięgien
w zakotwieniach, a wysoka odporność spęcznionych główek na obciążenia dynamiczne
15
powoduje, że system ten jest stosowany obecnie przede wszystkim do sprężania
odpowiedzialnych konstrukcji, dla których istotne są tego typu oddziaływania.
Sploty – rys. 14a – wykorzystywane są do sprężania wszelkich konstrukcji budowlanych
– podczas ich wznoszenia i wzmacniania, przy czym mogą pracować jako zsolidaryzowane
z elementem żelbetowym lub pozbawione doń przyczepności. Pewne ograniczenia istnieją
w przypadku konieczności obciążenia splotu siłą prostopadłą do jego osi. Takie obciążenia
występują jednak przede wszystkim w linowych konstrukcjach przekryć wielkopowierzchniowych.
Sploty najczęściej wykonuje się z drutów φ5mm, przy czym wewnętrzny prosty drut
posiada większą średnicę. Zabieg ten stosuje się w celu wytworzenia szczelin pomiędzy
zewnętrznymi drutami umożliwiających penetrację zaczynu cementowego w głąb splotu bez
odseparowania cząstek cementu od wody. Kotwienie splotów odbywa się za pomocą
wielodzielnych szczęk (rys. 14b) obejmujących cały splot, zaciskanych przez wciąganie ich
przez sploty do bloków kotwiących. Dzięki temu praktycznie całkowicie wyeliminowano
zjawisko nierównomiernego naprężenia poszczególnych drutów. Wadą tego typu zakotwień
jest poślizg cięgien następujący po procesie naciągu. Wartość poślizgu wynosi we
współczesnych zakotwieniach ok. 5 do 6mm.
b)
a)
Rys. 14. a) sploty siedmiodrutowe (fot. BBR), b) szczęka trójdzielna zakotwienia splotu
(fot. BBR)
Do sprężenia konstrukcji stosuje się cięgna wykonane z pojedynczych splotów (tzw.
monostrand) – rys. 15a, najczęściej w wersji bez przyczepności do betonu oraz cięgna
wielosplotowe (tzw. multistrand) – rys. 15b – w liczbie od trzech do kilkudziesięciu (55
i więcej) splotów. W większości przypadków sploty układane są centrycznie w osłonkach
o przekroju okrągłym – rys. 14a, jednak w przypadku elementów o małej wysokości (stropy,
ściany) korzystnie jest zastosować cięgna składające się ze splotów usytuowanych w jednej
płaszczyźnie – rys. 16.
Sploty najczęściej wykonuje się ze stali wysokowęglowej, która nie posiada wyraźnej
granicy plastyczności. Wymaga się zatem od producenta stali podawania wartości umownej
charakterystycznej granicy plastyczności fp0,1k, określonej dla odkształcenia plastycznego
równego 0,1%, przy czym wartość ta powinna być większa od 85% charakterystycznej
wytrzymałości na rozciąganie stali. Umowna granica plastyczności fp0,1k dla stali
o wytrzymałości fpk wynoszącej 1860MPa osiągana jest przy odkształceniu całkowitym
(sprężystym i plastycznym) wynoszącym teoretycznie ok. 0,8%, podczas, gdy norma [10]
wymaga, by odkształcenia stali odpowiadające maksymalnej sile rozciągającej ftk nie były
mniejsze od 3,5%.
16
a)
b)
Rys. 15. a) sploty pojedyncze, b) zakotwienie cięgna wielosplotowego (fot. Freyssinet)
a)
b)
Rys. 16. a) cięgno płaskie systemu BBR FLAT (fot. BBR), b) widok zakotwień cięgien
zabetonowanych na krawędzi stropu (fot. BBR)
Jeśli uwzględnimy, że naprężenia w cięgnach po wystąpieniu wszystkich strat powinny
wynosić nie więcej niż 0,65fpk, to wynikające stąd odkształcenia będą równe ok. 0,6%.
Pozostają zatem do wykorzystania, w ramach stanu granicznego nośności np. na zginanie,
odkształcenia o wartości bliskiej 3%. Odkształcenia te będą zachodzić po wystąpieniu tzw.
dekompresji (pozbawieniu naprężeń ściskających) części sprężonej przekroju. Jeżeli
porównamy pozostające nam do osiągnięcia charakterystycznej siły zrywającej w stali
sprężającej odkształcenia z pomijalnie małą wartością odkształceń w betonie zachodzących
przy powstawaniu pierwszych rys, to dojdziemy do wniosku, że zanim dojdzie do
przekroczenia stanu granicznego na zginanie, konstrukcja „poinformuje” nas o zbyt dużym
jej wytężeniu przez szereg rys prostopadłych do osi elementu. Twierdzenie, że konstrukcje
sprężone ulegają nagłemu zniszczeniu bez żadnego ostrzeżenia jest zaszłością wynikającą
z prostej interpretacji wykresu zależności σ−ε stali sprężającej i stali miękkiej o niskiej
wytrzymałości. Ta druga posiada bardzo wyraźną granicę plastyczności, a odkształcenia
przy zerwaniu stali sięgają kilkunastu procent. Badania wykonywane przez autora,
polegające na obciążeniu konstrukcji przekrycia dachowego z wbudowanymi dźwigarami
kablobetonowymi KBOS-18, wyraźnie wskazywały moment wystąpienia widocznych
zarysowań pasów dolnych dźwigarów i odpowiadającą temu zjawisku wartość obciążenia
[8]. Wartość ta była zgodna (z dokładnością do 10%) z obciążeniem wyznaczonym
teoretycznie, stąd można wnioskować, że wyznaczona obliczeniowo nośność mimośrodowo
rozciąganego ściągu będzie zbliżona do rzeczywistości. Nośność ta umożliwiała przyłożenie
obciążenia o co najmniej 30% większego od wyznaczonego dla siły rysującej. Szereg badań
dostępnych w literaturze, prowadzonych dla elementów zginanych, potwierdza, że
konstrukcje te wyraźnie wskazują, że są przeciążone. Przed fazą zniszczenia występują
17
zarówno liczne rysy o rozwartości umożliwiającej ich dostrzeżenie gołym okiem oraz
istotne ugięcia.
Pręty sprężające – rys. 17 – mogą być stosowane w konstrukcjach w różnych celach –
jako elementy zbrojenia sprężającego, jako elementy wzmocnień, ściągi, odciągi czy
podwieszenia. Często używane są jako elementy pomocnicze, np. w celu zamocowania
bloków oporowych zakotwień zewnętrznych splotów, czy dewiatorów. Stosowane są
między innymi do podłużnego sprężania pali wyciąganych, pionowego sprężania ścian,
sprężania płyt stropowych, poprzecznego sprężania oczepów palowych, jako śruby kotwiące
słupów stalowych, jako tymczasowe i stałe kotwy gruntowe. Wykonywane są ze stali
stopowych jako elementy prostoliniowe, jednak zespół akcesoriów służących do łączenia
prętów na długości umożliwia kształtowanie przy ich pomocy tras w postaci linii łamanych.
Pręty sprężające naciąga się przy pomocy prasy, a nakrętka służy wyłącznie do trwałego,
bezpoślizgowego zakotwienia cięgna.
Rys. 17. Widok pręta sprężającego z nakrętką i blachą oporową (fot. BBR)
Liny są elementami wykonywanymi z dużej liczby stosunkowo cienkich drutów
o różnym przekroju poprzecznym. Stosowane są obecnie do sprężania elementów
żelbetowych wyłącznie jako cięgna zewnętrzne, w związku z tym ich wykorzystanie
ogranicza się przede wszystkim do wzmocnień konstrukcji istniejących. Główne
zastosowanie cięgna linowe znalazły w konstrukcjach przekryć dachowych, które to nie są
przedmiotem niniejszego referatu.
Podejmowane są także na coraz szerszą skalę próby stosowania do sprężania konstrukcji
żelbetowych cięgien z materiałów niemetalicznych [13, 14]. Do ich produkcji stosowane
są włókna węglowe, szklane i aramidowe zatopione w matrycy, którą zwykle jest żywica.
Podstawową zaletą cięgien niemetalicznych jest ich wysoka odporność na korozję.
4.2.2.
Zabezpieczenie antykorozyjne cięgien sprężających
Zabezpieczenie antykorozyjne stali sprężającej splotów może być wykonywane w różny
sposób. Podstawowym sposobem ochrony antykorozyjnej cięgien z przyczepnością jest
wypełnienie kanałów kablowych, w których prowadzone są cięgna, zaczynem
cementowym. Zaczyn, ze względu na dużą zawartość cementu, posiada bardzo wysokie pH.
Powoduje on powstawanie na powierzchni stali tzw. warstwy pasywującej bardzo dobrze
chroniącej stal przed korozją. W przypadku wyższego zagrożenia korozyjnego stosowane są
osłony z tworzyw sztucznych. Są one trwalsze od ich stalowych odpowiedników
i charakteryzują się niższym współczynnikiem tarcia, co jest szczególnie istotne przy
skomplikowanych przebiegach tras kablowych. Jeśli istnieje zagrożenie występowania
18
prądów błądzących (np. kotwy gruntowe), można zastosować zupełnie wyizolowane
tworzywem sztucznym cięgna sprężające. Dodatkowo, dla tego typu ochrony
antykorozyjnej można zastosować system monitorujący zmiany oporności elektrycznej
cięgna sprężającego i zakotwień, a więc kontroli zagrożenia korozyjnego.
Nie zawsze takie zabezpieczenie jest wystarczające. W przypadku cięgien wbudowanych
w elementy eksploatowane w środowiskach silnie agresywnych w stosunku do stali sięga się
obecnie coraz częściej po stal zabezpieczaną przez cynkowanie lub epoksydowaną.
Zabezpieczenie antykorozyjne splotów zewnętrznych lub wewnętrznych bez
przyczepności na ogół realizowane jest wielostopniowo. W zależności od agresywności
korozyjnej środowiska stosuje się druty ze stali zabezpieczonej przez cynkowanie lub
epoksydowanie, albo pozostawia się je bez tego zabezpieczenia. Pojedyncze sploty
umieszcza się w ściśle przylegających do nich osłonach z HDPE, a następnie pozostałą
przestrzeń wypełnia kompozycją woskowo-parafinową z dodatkiem inhibitorów korozji.
Wiązki splotów umieszcza się we wspólnej osłonce z HDPE, która stanowi kolejną barierę
dla środowiska zewnętrznego i substancji agresywnych. Często wykonuje się jeszcze jedno
zabezpieczenie polegające na wypełnieniu wnętrza zewnętrznej rury z HDPE zaczynem
cementowym – rys. 18.
a)
b)
Rys. 18. a). widok pojedynczego cięgna sprężającego w osłonie wewnętrznej i zewnętrznej
przed zamontowaniem na konstrukcji, b). przekrój poprzeczny przez pojedynczy splot
zabezpieczony czterostopniowo przed korozją: 1. zewnętrzna osłona z HDPE, 2. zaczyn
cementowy, 3. splot galwanizowany, powlekany epoksydem lub bez dodatkowego
zabezpieczenia, 4. kompozycja woskowo-parafinowa z inhibitorami korozji, 5. wewnętrzna
osłonka z HDPE
W obrębie wejścia splotów do zakotwienia, gdzie sploty pozbawione są wewnętrznych
osłonek, często zaczyn cementowy zastępuje się kompozycją woskowo-parafinową w celu
umożliwienia wymiany cięgien sprężających. W przypadku uszkodzenia któregokolwiek ze
splotów, wytapia się „wosk” z osłony zakotwienia przy pomocy prądu elektrycznego,
rozkatwia się pojedyncze zakotwienie i dokonuje wymiany splotu. Po zakończonej operacji
powtórnie wypełnia się przestrzeń osłony „woskiem”.
Pręty sprężające zabezpiecza się przed negatywnym wpływem środowiska zewnętrznego
w zależności od ich położenia względem konstrukcji. Jeśli są umieszczone wewnątrz
przekroju żelbetowego, pozostają zabezpieczone przez odpowiednio grubą otulinę
betonową. Jeśli są prowadzone na zewnątrz elementu, konieczne jest ich zabezpieczenie
dostosowane do stopnia agresywności atmosfery. Możliwe jest tutaj zastosowanie
cynkowania, powlekania zestawami malarskimi, a nawet przyjęcie stali nierdzewnej.
19
4.2.3.
Korozja naprężeniowa
Część materiałów, w tym również niektóre gatunki stali, są podatne na zjawisko tzw.
korozji naprężeniowej. Polega ona na przyspieszonej degradacji materiału wskutek
wspólnego działania medium korozyjnego i wysokich naprężeń rozciągających. Te dwie
przyczyny wzajemnie się „stymulują”, co powoduje, że w pewnych przypadkach może
dojść do prawie natychmiastowego zniszczenia przekroju elementu.
Przypadki korozji naprężeniowej stali sprężającej występowały w przeszłości
w przypadku stali ulepszanej poprzez hartowanie i odprężanie w kąpieli olejowej. Tego typu
proces obróbki cieplnej stali prowadzony był głownie w byłej NRD. Obecnie wszyscy
producenci stali sprężającej zobowiązani są do przeprowadzania przyspieszonych testów
[10] wykazujących, czy dana stal jest wrażliwa na występowanie korozji naprężeniowej.
4.2.4.
Relaksacja
Współcześnie produkowane stale sprężające, zarówno wysokowęglowe jak i stopowe,
charakteryzują się niskim poziomem straty siły sprężającej wywołanej występowaniem
zjawiska relaksacji, czyli spadku naprężeń (siły) przy stałych odkształceniach (długości).
Dla splotów, wartość spadku naprężenia ∆σpr na skutek relaksacji wynosi ok. 1,0 do 4,5%
[10] wartości początkowego naprężenia w cięgnach σp wywołanego naciągiem
i obciążeniami stałymi, w zależności od stosunku σp/fpk. Pręty sprężające charakteryzują się
trochę większymi stratami. Dla nich spadek naprężeń ∆σpr wynosi odpowiednio od 1,5 do
7,0%. Wartości te podano dla czasu trwania obciążenia t = 1000h.
4.3. Zakotwienia i łączniki
Siła sprężająca w konstrukcjach kablobetonowych przekazywana jest na konstrukcję
przez zakotwienia, czyli elementy systemu sprężenia umożliwiające utrzymanie w cięgnach
siły przez cały okres eksploatacji konstrukcji. Wprawdzie, w przypadku konstrukcji
z przyczepnością, po zainiektowaniu kanałów kablowych można przyjąć, że następuje pełne
zespolenie cięgien sprężających z przekrojem elementu, jednak w fazie sprężenia, siła
naciągu musi zostać przejęta przez strefę zakotwień.
Wśród zakotwień możemy wyróżnić zakotwienia czynne i bierne. Pierwsze z nich
instalowane są po tej stronie cięgna, gdzie wprowadzana jest siła sprężająca, drugie służą
wyłącznie właściwemu przekazaniu siły na element. Ze względu na usytuowanie zakotwień
biernych względem elementu możemy je podzielić na zakotwienia zewnętrzne i wgłębne.
Przykładowe typy zakotwień pokazano na rys. 19 i 20, przy czym zakotwienie opisane na
rys. 19a jako czynne może również pracować jako bierne.
W zależności od liczby kotwionych splotów, zakotwienia możemy podzielić na
pojedyncze (rys. 15a) oraz wielosplotowe – rys. 15b i 19a.
W elementach o niewielkiej wysokości przekroju poprzecznego (płyty stropowe,
posadzki, ściany) stosowane są zestawy splotów układane w tzw. cięgna płaskie. Na rys. 20
pokazano przykładowo widok zakotwienia czynnego i biernego wgłębnego tego typu
systemu.
20
a)
b)
Rys. 19. a). zakotwienie czynne (rys. Freyssinet), b). przekrój przez mechaniczne
zakotwienie bierne (rys. Asis)
a)
b)
Rys. 20. a). zakotwienie czynne (rys. Freyssinet), b). widok mechanicznego zakotwienia
biernego
Do wzmacniania zbiorników na materiały sypkie i ciecze bardzo często stosuje się
pojedyncze cięgna bezprzyczepnościowe opasujące cały obwód konstrukcji. Cięgna te
kotwione mogą być w sposób klasyczny w tzw. pilastrach lub przy pomocy zakotwień typu
„X” – rys. 21 i 22.
Rys. 21. Zakotwienie typu „X” (fot. Freyssinet)
Wyżej wymienione stypy zakotwień czynnych łączyła jedna podstawowa cecha- były to
zakotwienia, w których pojedynczy splot kotwiony był szczęką wielodzielną w bloku
kotwiącym. Z tego względu, po zakotwieniu następował poślizg cięgna i związana z tym
strata siły sprężającej.
21
Rys. 22. Sposób naciągu pojedynczych splotów bezprzyczepnościowych z zastosowaniem
zakotwień typu „X” (rys. Freyssinet)
Kolejną grupą współcześnie stosowanych zakotwień są zakotwienia bezpoślizgowe.
W grupie tej należy wymienić zakotwienia główkowe systemu BBRV – rys. 13 stosowane
z powodzeniem od 60 lat oraz tzw. zaciski plastyczne – rys. 23. Na rysunku z lewej strony
pokazano kształt tulei przed jej zaciśnięciem, a na rys. po prawej – po przeciągnięciu przez
zagniatarkę.
Rys. 23. Zacisk plastyczny (rys. Freyssinet)
Ten sposób kotwienia polega na zaciśnięciu na końcówce splotu walca wykonanego
z ciągliwej stali, wewnątrz którego umieszczona jest sprężyna z bardzo twardego drutu.
Podczas zaciskania tulei (przez przeciąganie przez specjalną tuleję) następuje wciśnięcie
drutów sprężyny w zewnętrzną powierzchnię splotu oraz wewnętrzną powierzchnię zacisku.
Zacisk jest tylko elementem, który można wykorzystać do współpracy z tuleją gwintowaną
stanowiącą właściwe zakotwienie.
Ze względu na występujące w obrębie strefy zakotwień duże naprężenia rozciągające
i ściskające związane z miejscowym przekazaniem na element bardzo dużych sił, konieczne
jest dodatkowe zazbrojenie strefy zakotwień. Zbrojenie to powinno zapewnić brak
uszkodzeń strefy kotwienia cięgien sprężających w pełnym zakresie wartości sił, tj. aż do
zerwania cięgien.
W przypadku wykonywania elementów z segmentów oraz sprężania długich konstrukcji,
konieczne jest stosowanie elementów umożliwiających łączenie cięgien na długości. Na
rys. 24a pokazano złącze stałe stosowane w celu przedłużenia cięgien sprężających
poszczególne segmenty konstrukcji, a na rys. 24b – złącze ruchome umożliwiające łączenie
cięgien w dowolnym miejscu na długości konstrukcji.
22
a)
b)
Rys. 24. Złącze stałe (a) i ruchome (b) cięgna sprężającego
4.4. Osłony kanałów kablowych
Cięgna sprężające znajdujące się wewnątrz konstrukcji prowadzone są w tzw. kanałach
kablowych. Kanały te dawniej były wykonywane w Polsce w konstrukcjach
prefabrykowanych bez żadnych osłonek – jako betonowe. Obecnie wszystkie kanały
kablowe formuje się przy zastosowaniu osłonek ze stali – rys. 25a lub z tworzywa
sztucznego – rys. 25b. Osłonki wykonywane są jako karbowane, by zwiększyć efektywność
przekazywania sił z betonu poprzez iniekcję cementową na cięgna sprężające. Karbowanie
zwiększa również wytrzymałość osłonek na uszkodzenia mechaniczne.
a)
b)
Rys. 25. a). osłonki stalowe b). osłonka z tworzywa sztucznego
23
Jak wykazały prowadzone na szeroką skale badania [1] osłonki z tworzywa sztucznego
są lepszym zabezpieczeniem antykorozyjnym dla prowadzonych w nich cięgien
sprężających, gdyż same są praktycznie nie wrażliwe na większość substancji agresywnych
występujących w atmosferze. Dodatkowo, ze względu na niski współczynnik tarcia, podczas
naciągu powodują mniejszy spadek siły na skutek tarcia, niż obserwuje się to dla osłon
stalowych.
4.5. Iniekcja kanałów kablowych
Kanały wewnętrzne, w których prowadzone są cięgna sprężające, mające zostać
zespolone z konstrukcją, muszą być wypełnione iniekcją cementową. Zaczyn cementowy
zwany iniektem bądź iniekcją cementową wykonywany jest z cementu portlandzkiego,
wody i dodatków poprawiających płynność zaczynu, wydłużających jego czas wiązania,
napowietrzających w celu poprawienia mrozoodporności w okresie wiązania,
zapobiegających sedymentacji a nawet powodujących pęcznienie zaczynu podczas jego
twardnienia. Iniekcja jest najczęściej stosowanym sposobem umożliwiającym zapewnienie
współpracy cięgien z elementem żelbetowym. Spotykane jest również wypełnianie kanałów
żywicami epoksydowymi o wydłużonym okresie wiązania [1]. Jednocześnie iniekcja
cementowa jest bardzo dobrą ochroną antykorozyjną stali sprężającej (por. rozdział 4.2.2).
Z tego powodu stosowana jest również jako kolejny stopień ochrony cięgien bez
przyczepności, prowadzonych we wspólnej osłonie zewnętrznej (por. rozdział 4.2.2).
Iniekcję wykonuje się zawsze od najniżej położonego punktu kanału kablowego przez
specjalnie pozostawione w tym celu rurki iniekcyjne. Powietrze pozostające w kanałach
zostaje „wypchnięte” przez iniekt i odprowadzone przez tzw. rurki odpowietrzające.
Właściwe wykonanie iniekcji jest bardzo istotne z punktu widzenia bezpiecznej pracy
konstrukcji. Z jednej strony zapewnia ona ochronę antykorozyjną cięgien, z drugiej strony –
umożliwia wspólna pracę sprężonego przekroju żelbetowego.
W przeszłości poprawne wykonanie iniekcji kanałów kablowych nastręczało dużo
trudności. Zjawisko to spowodowane było kilkoma przyczynami, z których najważniejszymi
były:
– wykonywanie kanałów kablowych bez żadnych osłon. W ten sposób realizowano
kanały w elementach prefabrykowanych. Wprowadzany do kanału iniekt bardzo
często zdążył stwardnieć zanim dotarł do końca kanału ze względu na bardzo dużą
chłonność suchego betonu prefabrykatu. Zalecenie przepłukiwania wodą kanałów
przed ich iniekcją miało nawilżyć beton, a powodowało w wielu przypadkach
spadek wytrzymałości iniektu na skutek podwyższenia jego stosunku w/c,
– brak skutecznych środków chemicznych wydłużających czas wiązania,
zwiększających płynność i ograniczających sedymentację iniektu.
Obecnie, przyczyny te zostały całkowicie wyeliminowane.
5. Konstrukcje kablobetonowe w warunkach pożaru
Zagadnienie odporności konstrukcji budowlanych na oddziaływanie temperatur
powstających w warunkach pożaru jest obecnie przedmiotem szerokich badań i analiz
teoretycznych. Warunki techniczno-budowlane, definiowane w przepisach prawa, określają
klasę odporności pożarowej budynku w zależności od kategorii zagrożenia ludzi lub
możliwej gęstości obciążenia ogniowego. Dla różnych klas budynków określane są klasy
24
odporności pożarowej poszczególnych elementów budynku i dla nich tzw. nośności
ogniowe. Nośność ogniowa R (15, 30, 60, 120, 240) jest to czas określony w minutach, po
którym element budynku w warunkach pożaru przestaje spełniać swoją funkcję nośną
i następuje przekroczenie dopuszczalnych przemieszczeń. Norma [15] dopuszcza określenie
ognioodporności konstrukcji na podstawie danych tabelarycznych (wyłącznie dla
elementów konstrukcji), uproszczonych modeli obliczeniowych (elementy i części
konstrukcji), ogólnych modeli obliczeniowych (elementy, części konstrukcji i cała
konstrukcja) oraz wyników badań. Konieczne jest zatem określenie procedury badawczej
pozwalającej każdorazowo na prowadzenie próby w tych samych warunkach
temperaturowych, przy czym istotna jest tutaj również szybkość przyrostu temperatury.
Pożar w pomieszczeniu najczęściej dzieli się na trzy fazy [16]:
– faza I – okres powstania i rozwoju pożaru,
– faza II – okres w pełni rozwiniętego pożaru i intensywnego spalania,
– faza III – okres gaśnięcia pożaru (stygnięcia).
Każdy pożar jest oczywiście innym zjawiskiem, więc określenie funkcji matematycznej
jednoznacznie opisującej rozwój pożaru jest niemożliwy. Przyjęto jednak kilka propozycji
matematycznego opisu pożaru w pełni rozwiniętego – rys. 26.
Rys. 26. Wykresy funkcji opisujących zależność temperatura-czas dla modelu pożaru
umownego [16]
Wysokie temperatury oddziaływujące na konstrukcje kablobetonowe podczas pożaru
wpływają w bardzo istotny sposób na modyfikację parametrów mechanicznych betonu, stali
zwykłej i stali sprężającej.
5.1. Beton
Można przyjąć, że wzrost temperatury do 105oC wpływa na zachowanie betonu
w sposób nieznaczny. Zmiany wytrzymałości na ściskanie, rozciąganie oraz modułu
sprężystości związane są dopiero z wyższymi temperaturami. Na rys. 27 pokazano wartości
współczynnika kT zdefiniowanego w normie [15] redukującego wytrzymałości
charakterystyczne na ściskanie i rozciąganie dla betonów zwykłych oraz
wysokowartościowych. Temperatura rzędu 400oC powoduje redukcję wytrzymałości na
25
ściskanie betonów klas do B95 o 25%. Po osiągnięciu temperatury 600oC – beton traci
całkowicie wytrzymałość na rozciąganie, a temperatura rzędu 1000-1200oC powoduje utratę
wytrzymałości na ściskanie.
Rys. 27. Wykresy zależności współczynnika kT określającego spadek charakterystycznej
wytrzymałości na ściskanie i rozciąganie betonu [15] i [16]
Rys. 28. Względna wytrzymałość betonu na ściskanie fcT/fcm w podwyższonej i obniżonej
temperaturze (na podstawie [17 i 1]), 1 – beton suchy, 2 – beton wilgotny, linia ciągła –
wytrzymałość w danej temperaturze, linia przerywana – wytrzymałość po powrocie do
20oC
Na rys. 28 uwzględniono uzależnienie spadku wytrzymałości na ściskanie od
wilgotności betonu oraz dodatkowo, pokazano wpływ ogrzania betonu na jego
wytrzymałość na ściskanie po schłodzeniu elementu do 20oC.
Na rys. 29 pokazano wpływ wysokiej i niskiej temperatury na zmianę modułu
sprężystości. Podniesienie temperatury tylko o 100oC powoduje już jego redukcję
o kilkanaście procent, a przy temperaturze rzędu 400oC wartość modułu sprężystości nie
przekracza 30% jego wartości początkowej.
26
Rys. 29. Zależność modułu sprężystości od temperatury (na podstawie [17 i 1])
Można przyjąć, że krytyczną temperaturą dla betonów zwykłych jest 500oC. Po
przekroczeniu tej temperatury beton ulega trwałym zarysowaniom i spękaniom, moduł
sprężystości jest bardzo niski, co powoduje, że części elementu konstrukcyjnego
o temperaturze powyżej 500oC mogą zostać pominięte w analizie obliczeniowej elementu.
Po schłodzeniu betonu z tej temperatury, na ogół nie nadaje się on do wykorzystania jako
materiał konstrukcyjny ze względu na rozległe uszkodzenia wewnętrznej struktury.
5.2. Stal zwykła i sprężająca
Wysoka temperatura wpływa na wytrzymałość stali zwykłej i sprężającej oraz na
poziom relaksacji stali sprężającej. Na rys. 30 pokazano zależność wytrzymałości stali od
temperatury według [15]. Stal sprężająca jest bardziej wrażliwa na wzrost temperatury, już
przy temperaturze rzędu 300oC redukcja wytrzymałości splotów wynosi ok. 30%, by przy
600oC osiągnąć aż 90%. Przy tych samych temperaturach stal zwykła walcowana na gorąco
zachowuje się znacznie lepiej. Przy 300oC nie obserwuje się zmniejszania wytrzymałości,
a przy 600oC redukcja wynosi ok. 50%.
Podobne zależności można znaleźć w [18]. Na rys. 31 i 32 pokazano wykresy obrazujące
zmianę parametrów mechanicznych odpowiedzialnych za zachowanie się stali w wysokich
i niskich temperaturach. Na uwagę zasługuje znaczna redukcja modułu sprężystości stali
sprężającej już od temperatury bliskiej 200oC. Zależność ta skutkować będzie większymi
przemieszczeniami elementów sprężonych w podwyższonych temperaturach. Warto
również zauważyć, że wzrost temperatury stali sprężającej powoduje wzrost jej granicznej
odkształcalności εpu. Jest to bardzo pożądana zależność, dzięki której w konstrukcji
sprężonej, pracującej w warunkach pożaru, może dojść do redystrybucji naprężeń bez
zerwania stali sprężającej.
27
Rys. 30. Wartość współczynnika redukującego wytrzymałość stali zwykłej i sprężającej
w zależności od temperatury [17]
Rys. 31. Wartości wytrzymałości stali sprężającej w zależności od temperatury w stosunku
procentowym do wartości tych wielkości w temperaturze 20oC [18 i 1]
Temperatura w istotny sposób modyfikuje także podatność stali sprężającej na wzrost
odkształceń przy stałych naprężeniach (obciążeniach). Przeprowadzone badania w zakresie
temperatur 20oC do 100oC wykazały, że zależność ta jest szczególnie widoczna, gdy
stosunek naprężeń w cięgnach sprężających wywołanych obciążeniami stałymi i naciągiem
do ich wytrzymałości przekracza 60% - rys. 32.
Nie uwzględnienie tego zjawiska w analizie strat siły sprężającej konstrukcji pracującej
np. w zakładzie przemysłowym, gdzie temperatury przekraczają 40oC, może doprowadzić
do przeszacowania trwałej siły sprężającej.
28
relaksacja w [%] wartości fpk
Rys. 32. Wartości odkształcenia granicznego i modułu sprężystości stali sprężającej
w zależności od temperatury w stosunku procentowym do wartości tych wielkości
w temperaturze 20oC [18 i 1]
σp0/fpk [%]
Rys. 33. Zależność relaksacji stali sprężającej od temperatury w funkcji względnego
poziomu jej wytężenia (opis w tekście)
29
Podobne zależności podano w [1], gdzie wartość relaksacji dla poziomu naprężenia σp
w cięgnach wynoszącym 0,7 fp0,2 uzależniono od czasu. Na wykresie pokazano również
sposób zmiany relaksacji stali na skutek szybkiego wzrostu temperatury konstrukcji z +20oC
do +80oC – rys. 34.
Rys. 34. Zależność relaksacji stali sprężającej od temperatury w funkcji względnego
poziomu jej wytężenia (opis w tekście) [1]
Uwzględnienie w stosunkowo prostym modelu teoretycznym wszystkich wyżej
podanych zależności dla rzeczywistego elementu konstrukcyjnego jest praktycznie
niemożliwe. Najpewniejszą metodą określenia odporności ogniowej elementów konstrukcji
pozostanie zawsze badanie w komorze ogniowej. Dobre wyniki uzyskuje się na podstawie
modeli (np. MES) fragmentów konstrukcji przy uwzględnieniu niestacjonarnego pola
temperatury w betonie (ogólne zasady podano w [15]). Wspomniana norma podaje również
wytyczne stosowania tzw. metody „izotermy 500”, polegającej na określeniu izoterm
temperatury w przekroju w zależności od wymaganej nośności ogniowej R, a następnie
redukcji jego powierzchni przy uwzględnieniu degradacji parametrów wytrzymałościowych
betonu i stali [16]. W analizie uwzględnia się wyłącznie tę część przekroju betonowego,
w której temperatura nie przekracza 500oC. Dla zredukowanego przekroju parametry
wytrzymałościowe pozostają bez zmian lub określa się ich obniżoną wytrzymałość na
podstawie wykresów 27 i 30. W ten sposób można analizować przekroje w celu określenia
niezbędnej grubości otuliny zabezpieczającej cięgna sprężające przed nadmiernym
wzrostem ich temperatury.
W normie [15] podano również minimalne wymiary elementów belkowych, płytowych,
słupów i ścian oraz minimalne grubości otulin w zależności od nośności ogniowej R.
Spełnienie tych wymagań geometrycznych zapewnia nieprzekroczenie w stali sprężającej
krytycznych temperatur, wynoszących zgodnie z [15] 350oC dla splotów i 400oC dla prętów
sprężających.
W pewnych przypadkach zabezpieczenie strukturalne może się okazać niewystarczające
(np. wysoka klasa odporności ogniowej), wówczas konieczne jest zaprojektowanie
zabezpieczenia przeciwpożarowego polegającego na zastosowaniu okładziny z materiału
30
o wysokim stopniu pochłaniania ciepła. Stosowane są obecnie zarówno płyty
prefabrykowane, jak i tzw. tynki natryskowe. Należy jeszcze raz zwrócić uwagę, że stal
sprężająca ulega wcześniej degradacji od stali zwykłej. Konieczne jest zatem podczas
projektowania zabezpieczenia przeciwpożarowego elementu sprężonego przyjęcie na tyle
dużej grubości okładziny, aby spowodować przesunięcie chwili czasowej, w której element
konstrukcyjny uzyska niebezpieczną dla stali sprężającej temperaturę. Za taką należałobyby
przyjąć temperaturę, przy której stal sprężająca traci 40% swej wytrzymałości. Biorąc pod
uwagę ograniczenie naprężeń w stali sprężającej (0,65 fpk) po wszystkich stratach oraz brak
zarysowania większości konstrukcji kablobetonowych (brak zarysowania oznacza, że
naprężenia w cięgnach sprężających są na poziomie wyżej wymienionego ograniczenia)
przyjęcie takie wydaje się być słuszne. Dla splotów temperatura ta wynosi ok. 350oC, a dla
prętów sprężających ok. 420oC (w przybliżeniu 400oC). Dla stali zwykłej gorącowalcowanej
spadek wytrzymałości o 40% ma miejsce przy temperaturze ok. 550oC.
Stosunkowo kłopotliwe jest zabezpieczenie przeciwpożarowe zewnętrznych cięgien
sprężających prowadzonych w takiej odległości od elementu konstrukcyjnego, że
utrudnione jest ich zabezpieczenie prefabrykowanymi płytami. Można wówczas
wykorzystać fakt, że cięgna takie są zazwyczaj iniektowane zaczynem cementowym.
Przyjęcie odpowiedniej grubości „otuliny” z zaczynu cementowego powinno zostać
poprzedzone obliczeniami przy wykorzystaniu modelu MES. Dodatkowo należy zwrócić
uwagę, że zewnętrzna osłona powinna być współśrodkowa z zastosowanym zestawem
cięgien. Niedopuszczalne jest swobodne prowadzenie osłony, gdyż grubości iniektu będą
wówczas przypadkowe. Jeżeli estetyka obiektu nie zostanie zaburzona, można także
zastosować zabezpieczenie przeciwpożarowe w postaci systemowej, rurowej osłony z wełny
mineralnej. Trzeba sobie jednak zdawać sprawę, że taka zwiększona „otulina” w istotny
sposób zmieni średnicę cięgna sprężającego i jego sposób wizualnego odbioru.
Norma [15] wymaga dla konstrukcji sprężonych cięgnami bez przyczepności
przeprowadzenia dodatkowej analizy zachowania się elementu na skutek termicznego
wydłużenia cięgien sprężających. Ze względu na dużą różnicę bezwładności cieplnej
elementu sprężanego i cięgien, te drugie znacznie szybciej osiągną wysoką temperaturę, co
spowoduje znaczne ich wydłużenie i w konsekwencji spadek siły.
5.3. Cięgna i taśmy niemetaliczne
Na koniec warto parę słów powiedzieć na temat wpływu wysokich temperatur na cięgna
i taśmy wykonane z materiałów niemetalicznych. Wypełniaczem i spoiwem w tego typu
elementach jest najczęściej żywica epoksydowa, której nośność w warunkach pożaru jest
w zasadzie pomijalnie mała – po osiągnięciu temperatury 50oC rozpoczyna się proces
degradacji żywicy, a w temperaturze 70 do 80oC żywica traci całkowicie swe właściwości
mechaniczne.
Projektując zatem zabezpieczenie przeciwpożarowe konstrukcji sprężonej przy
zastosowaniu cięgien niemetalicznych, czy konstrukcji wzmocnionej przez sprężenie
taśmami z takich włókien, należy przyjąć odpowiednią grubość okładziny, która zapewni, że
temperatura przez okres odpowiedni dla danej klasy odporności pożarowej nie przekroczy
temperatury krytycznej dla tego rodzaju materiału.
31
6. Wzmacnianie konstrukcji przez sprężenie
Sprężenie jest bardzo efektywną metodą wzmocnienia konstrukcji żelbetowych (w tym
sprężonych), stalowych, murowych i drewnianych. Wszędzie tam, gdzie możliwe jest
wprowadzenie do elementu dodatkowej siły ściskającej, redukującej wartość momentu
zginającego, momentu skręcającego, siły ścinającej, siły rozciągającej czy przemieszczenia
(ugięcia) konstrukcji, należy rozważyć wzmocnienie przez sprężenie.
Do wzmacnianie konstrukcji stosuje się:
– cięgna bez przyczepności jako pojedyncze lub wielosplotowe,
– pręty sprężające,
– liny (w szczególności do wzmacniania konstrukcji stalowych),
– taśmy z włókien niemetalicznych.
Tematowi wzmocnień poświęcona była jedna z poprzednich konferencji WPPK [19],
stąd w tym miejscu autor nie chciałby poświęcać temu zagadnieniu zbyt wiele miejsca.
W celu zobrazowania możliwości metody wzmocnienia, przedstawionych zostanie jedynie
kilka zdjęć z realizacji.
a)
b)
Rys. 35. a). wzmocnienie prętami sprężającymi płyty stropowej redukujące momenty
ujemne (fot. BBR), b). wzmocnienie prętami sprężającymi belki stropowej. Wzmocnienie
zostało wykonane tylko w strefie najbardziej wytężonej umożliwiając swobodny dostęp do
końcówek prętów w celu ich naciągu. Widoczny blok oporowy umożliwiający przeniesienie
siły na wzmacniany element (fot. BBR)
Rys. 36. Wzmocnienie pojedynczymi splotami dźwigarów kablobetonowych
32
Rys. 37. Wzmocnienie pojedynczymi splotami zbiornika na rzepak oraz komina (fot.
Freyssinet)
Rys. 38. Wzmocnienie pojedynczymi splotami stożkowej powłoki zbiornika
z wykorzystaniem zakotwień typu „X”
Przykłady pokazane na rys. 36 i 39 stanowią zastosowanie tzw. aktywnego wzmocnienia
(zabezpieczenia) konstrukcji. W przypadku, gdy nie do końca znany jest stan wytężenia
elementu konstrukcyjnego, którego nośność decyduje o bezpieczeństwie całego obiektu,
możliwe jest wprowadzenie siły sprężającej o regulowanej wartości (wprowadzenie pełnej
33
siły mogłoby doprowadzić np. do przekroczenia wytrzymałości betonu na ściskanie).
W zależności od późniejszego zachowania konstrukcji (np. korozyjne pękanie cięgien
sprężających w dźwigarach kablobetonowych) siła naciągu cięgien powinna ulegać
odpowiedniemu zwiększeniu. Efektywne zastosowanie tej metody zabezpieczenia
konstrukcji możliwe jest wyłącznie przy wykorzystaniu systemu monitorowania zmian
wartości wybranych wielkości fizycznych. Wówczas można reagować praktycznie
natychmiastowo na pogarszanie się stanu technicznego zabezpieczonego elementu
konstrukcji.
Rys. 39. Zabezpieczenie dolnego pierścienia kopuły Hali Stulecia we Wrocławiu przez
sprężenie zewnętrznymi cięgnami bezprzyczepnościowymi w zestawach trójcięgnowych
(rys. Mosty Wrocław)
7. Monitoring konstrukcji sprężonych
Klasyczna diagnostyka konstrukcji sprężonej polega na przeprowadzeniu różnych badań
mających na celu określenie jej stanu technicznego. Podstawowymi wadami tego typu
podejścia jest dość duży odstęp czasowy pomiędzy poszczególnymi badaniami oraz
konieczność dostępu do konstrukcji w celu jej wizualnego przeglądu, czy pobrania próbek
do badań. W pewnych przypadkach, zapewnienie dostępu jest na tyle technicznie
utrudnione, a w związku z tym kosztowne, że dokonuje się przeglądu np. z wykorzystaniem
lornetki. Poszukiwane są zatem metody umożliwiające prowadzenie ciągłej diagnostyki
konstrukcji, gdzie pomiary wykonywane są bez bezpośredniego udziału człowieka. Można
tutaj wyróżnić metody mające na celu bezpośredni pomiar konkretnych wielkości
fizycznych w celu porównania wartości pomiarowych z tzw. wartościami dopuszczalnymi
określonymi np. na podstawie rozwiązania modelu teoretycznego lub obciążeń próbnych
oraz metody jakościowe (np. analiza modalna) mające na celu wykazanie zmiany stanu
technicznego konstrukcji, a nie konkretnej wielkości fizycznej.
Pierwsza grupa metod wykorzystuje do swoich celów różnego typu czujniki oraz
urządzenia umożliwiające pomiar konkretnych wielkości fizycznych związanych z pracą
konstrukcji: odkształceń, wydłużeń, przemieszczeń, kątów obrotu, ciśnienia, drgań
i temperatury oraz oddziaływaniami: kierunek i prędkość wiatru, temperatura powietrza
i wiele innych. W przypadku konstrukcji sprężonych, metody pomiarowe należy
dostosować do konkretnego typu elementu. Przykładowo, konstrukcje kablobetonowe bez
34
przyczepności możemy bardzo efektywnie monitorować przez ciągły pomiar sił w cięgnach
sprężających – rys. 40. Pomiar ten może być realizowany na wszystkich lub wybranych
splotach danego cięgna. Zmiana siły (zarówno wzrost jak i spadek) są bardzo istotną
informacją mówiącą o sposobie pracy konstrukcji.
Rys. 40. Pomiar sił w cięgnie wielosplotowym siłomierzem zamontowanym pomiędzy
czołem elementu a zakotwieniem oraz pośredni pomiar siły w linie (splocie) przez pomiar
jej odkształceń (fot. Geokon)
Elementy kablobetonowe z przyczepnością można monitorować przez pomiar
odkształceń betonu w wybranych punktach, pomiar odkształceń stali sprężającej lub
miękkiej, wydłużenie lub skrócenie całego elementu czy przemieszczenia. Wybór
konkretnej wielkości fizycznej oraz metody pomiaru powinien być poprzedzony wnikliwą
analizą sposobu pracy konstrukcji oraz możliwości poprawnej interpretacji otrzymanych
wyników pomiarów. Należy pamiętać, że konstrukcje kablobetonowe są elementami
pracującymi niesprężyście, co oznacza, że zależność σ−ε ma postać nieliniową. Nawet w
przypadku braku zarysowań, nieliniowość generować będzie choćby wpływ pełzania na
zmianę modułu sprężystości betonu w czasie.
Bardzo istotnym problem jest dobór właściwej metody pomiarowej. Jeżeli system
monitoringu ma umożliwiać rejestrację danych przez kilkadziesiąt lat, wykorzystane
czujniki muszą gwarantować stabilność i trwałość w takim okresie czasowym. Przy
obecnym stanie rozwoju technik pomiarowych najskuteczniejszą metodą w pomiarach
długookresowych wydaje się być metoda wykorzystująca czujniki strunowe [20]. Zasada
działania czujnika wykorzystuje prawo fizyczne mówiące (w uproszczeniu), że
częstotliwość drgania struny zależy od jej napięcia – rys. 41.
ELEKTROMAGNES
TERMISTOR
SYGNAŁ
POMIAROWY
POLE
MAGNETYCZNE
DRGAJĄCA
STRUNA
Rys. 41. Zasada działania czujnika strunowego
35
Nieznaczne naprężenia w strunie, zastosowanie stali nierdzewnej i prosty układ
mechaniczny powodują, że obserwacje prowadzone na rzeczywistych czujnikach w Polsce
i Stanach Zjednoczonych wskazują na ich stabilną pracę przez ponad 30 lat. Dodatkowym
atutem czujników strunowych jest możliwość stosowania przewodów elektrycznych
o kilkukilometrowych długościach. W przeciwieństwie do metod wykorzystujących pomiar
napięcia (np. tensometria elektrooporowa), gdzie kluczowym problemem są straty sygnału
powodowane choćby opornością przewodów, w tensometrii strunowej (w uproszczeniu)
wykorzystuje się wyłącznie „kształt” fali sinusoidy zliczając jej przejścia przez oś zera.
Metody jakościowe mają za zadanie przede wszystkim wskazanie, że konstrukcja
zmieniła swój stan techniczny. Szczegółowe badania dopiero wskażą rzeczywistą przyczynę
zmiany. Najczęściej stosuje się do tego celu pomiar drgań konstrukcji, wykorzystując
zależność częstości i postaci drgań własnych od np. sztywności konstrukcji. W uproszczeniu
zasadę tę zilustrowano na rys. 42.
Rys. 42. Wpływ uszkodzenia konstrukcji (np. zarysowania) na zmianę postaci drgań
własnych na przykładzie belki jednoprzęsłowej
Obecnie na świecie bardzo dynamicznie rozwijana jest dziedzina wiedzy zwana
Structural Health Monitoring. Poszukuje ona sposobów właściwego doboru metod
pomiarowych oraz późniejszej poprawnej interpretacji otrzymanych wyników w celu
określania degradacji stanu technicznego konstrukcji na podstawie pomiarów różnych
wielkości fizycznych w wybranych miejscach konstrukcji. Rozwój systemów
monitorowania obserwuje się również w Polsce. Na razie systemy tego typu instalowane są
przede wszystkim na obiektach o niestandardowej konstrukcji – mostach [21] czy
stadionach sportowych.
Wydaje się, że w niedługim okresie czasu obserwować będziemy rozwój systemów
monitorowania w Polsce. Dnia 8 lipca 2009r. weszło w życie Rozporządzenie Ministra
Infrastruktury z dnia 12 marca 2009r. zmieniające Rozporządzenie w sprawie warunków
technicznych, jakim powinny odpowiadać budynki i ich usytuowanie, Dz. U. Nr 56, Poz.
461 z 2009r. W dokumencie tym zwrócono większą uwagę na bezpieczeństwo konstrukcji
obiektów, w których może przebywać duża liczba osób. Zmiany te są reperkusją katastrofy
Hali wystawienniczej w Chorzowie i mają na celu ograniczenie liczby awarii konstrukcji
budowlanych w Polsce. Treść przepisu brzmi „Budynki użyteczności publicznej
z pomieszczeniami przeznaczonymi do przebywania znacznej liczby osób, takie jak: hale
widowiskowe, sportowe, wystawowe, targowe, handlowe, dworcowe powinny być
36
wyposażone, w zależności od potrzeb, w urządzenia do stałej kontroli parametrów istotnych
dla bezpieczeństwa konstrukcji, takich jak: przemieszczenia, odkształcenia i naprężenia
w konstrukcji.”
Wydaje się, że nakreślony przez rozporządzenie kierunek rozwoju jest słuszny.
Podstawowym zadaniem systemów monitorowania jest wzrost bezpieczeństwa konstrukcji
i minimalizacja awarii budowlanych. Rola człowieka (eksperta) w zagadnieniach oceny
stanu technicznego nigdy nie zostanie umniejszona, systemy mają tylko wspomagać go
w podejmowaniu popartych wiarygodnymi pomiarami decyzji.
Gdyby choć część elektroniki stosowanej we współczesnych obiektach budowlanych
służącej do sterowania systemami wentylacji, klimatyzacji, włączania i wyłączania
oświetlenia czy zamykania i otwierania rolet została wykorzystana do monitorowania
konstrukcji, wzrost bezpieczeństwa obiektów byłby bardzo istotny.
8. Przykłady niepowodzeń w projektowaniu i realizacji konstrukcji
sprężonych
Konstrukcje sprężone, a w szczególności konstrukcje kablobetonowe wymagają od
projektantów i wykonawców wiedzy na wyższym poziomie w stosunku do klasycznych
konstrukcji żelbetowych. Praca elementów w różnych stadiach (produkcja, montaż,
sprężanie i użytkowanie) powoduje konieczność przyjmowania zmiennej geometrii
przekrojów, schematów statycznych, właściwości materiałowych czy oddziaływań, zarówno
tych związanych z obciążeniami zewnętrznymi, jak i sprężeniem.
Wskazywanie niepowodzeń, a nawet błędów popełnianych przez projektantów
i wykonawców, jest bardzo istotne z punktu widzenia edukacyjnego. Z pewnością lepiej się
uczyć na cudzych błędach niż na swoich. Niestety (ze zrozumiałych względów) firmy nie
chętnie chwalą się niepowodzeniami, stąd w artykule nie zostaną zamieszczone konkretne
przykłady, zostaną wskazane wyłącznie zagadnienia, w których najczęściej popełniane są
błędy.
Projektowanie konstrukcji sprężonych jest zagadnieniem skomplikowanym. Są to na
ogół konstrukcje o dużych rozpiętościach, złożonych schematach statycznych, zakrzywione
w planie. Rzadko projektuje się elementy kablobetonowe posiadające np. schemat belki
wolnopodpartej. Rozwojowi technik projektowania nie pomaga również fakt marginalnego
traktowania przedmiotu na wydziałach inżynierii lądowej większości polskich uczelni
technicznych oraz szczupłość współczesnej literatury przedmiotu w języku polskim.
Do najczęściej popełnianych błędów na etapie projektowania można zaliczyć;
– niewłaściwe przyjęcie obciążeń, w tym nieuwzględnienie części obciążeń lub ich
kombinacji,
– niewłaściwe uwzględnienie etapowej pracy konstrukcji. Konstrukcje kablobetonowe
bardzo często wykonywane są jako elementy współpracujące w kolejnym etapie
wznoszenia konstrukcji z nadbetonem. Podczas projektowania należy zatem
uwzględnić nie tylko fakt wpływu zmiany przekroju na naprężenia, ale również na
straty reologiczne siły sprężającej i ugięcia konstrukcji powodowane przez skurcz
nadbetonu. Zupełnie odrębnym tematem jest zasadność uwzględniania współpracy
nadbetonu oraz jego szerokości współpracującej z elementem zginanym. Brak
zastosowania zbrojenia zespalającego i poprzestanie wyłącznie na uwzględnieniu
szorstkości powierzchni czyni współpracę nadbetonu z właściwym przekrojem co
najmniej dyskusyjną,
37
–
brak uwzględnienia sprężenia jako obciążenia w konstrukcjach statycznie
niewyznaczalnych. Siła sprężająca w elemencie hiperstatycznym powoduje
powstawanie momentów i reakcji wzbudzonych. Nieuwzględnienie w analizie
konstrukcji tych efektów powodować może bardzo poważne konsekwencje,
włącznie z awarią obiektu,
– zbyt duże zagęszczenie zbrojenia miękkiego. Szczególnie często ten błąd
projektowy obejmuje strefy zakotwień, utrudniając w istotny sposób poprawne
ułożenie w tych częściach elementów betonu.
Niepowodzenia wykonawcze również mogą pociągać za sobą daleko idące
konsekwencje. Do najczęściej popełnianych błędów należą:
– niedotrzymywanie tolerancji wymiarowych elementów,
– prowadzenie osłon kablowych niezgodnie z projektem, zagniatanie osłon na
długości elementów podczas układania zbrojenia, niewłaściwe łączenie osłon na
długości. Bardzo często się zdarza, że trasy osłon kablowych nie zachowują
tolerancji przewidzianych projektem, są zagniatane, czy niewłaściwie połączone.
Powoduje to powstawanie dodatkowych oporów generujących zwiększone straty
związane z tarciem cięgien o ścianki kanałów,
– niewłaściwy montaż lub uszkodzenie przewodów odpowietrzających kanały
kablowe,
– zbyt wczesne wprowadzanie siły sprężającej. Współczesna technologia betonu
umożliwia sprężanie docelowe elementów wykonywanych na budowie nawet po
kilkudziesięciu godzinach. Dążenie do wypełnienia założonych harmonogramów
narzuca bardzo często zbyt szybkie tempo prowadzenia prac budowlanych. Niestety,
kończy się to często długimi przestojami związanymi z koniecznością naprawy
uszkodzonych elementów. Na rys. 43a) pokazano zmiażdżone strefy zakotwień na
skutek zbyt niskiej wytrzymałości betonu w chwili sprężania.
a)
b)
Rys. 43. Uszkodzenie stref zakotwień na skutek zbyt niskiej wytrzymałości betonu
Podobny efekt wywołuje niewłaściwe ułożenie betonu w obrębie zakotwień. Liczne
raki związane z niedowibrowaniem mieszanki powodują znaczne obniżenie
wytrzymałości betonu na ściskanie skutkujące zarysowaniami betonu podczas próby
naciągu kabli – rys. 44b. Autor spotkał się również z przypadkiem przemieszczenia
38
–
się w obrębie elementu zakotwień wgłębnych na skutek zbyt niskiej wytrzymałości
betonu w chwili sprężania. Naprawa uszkodzonego elementu okazała się być
kosztownym przedsięwzięciem.
na rys. 44 pokazano uszkodzenie splotów sprężających w obrębie zakotwienia
w postaci ich ścięcia. Zniszczenie miało miejsce podczas naciągu cięgna, którego
blok oporowy był zamontowany nie prostopadle do osi kabla.
Rys. 44. Ścięcie splotów cięgna sprężającego na skutek braku prostopadłości bloku
oporowego do osi kabla. Ścięcie miało miejsce podczas naciągu ciegna
–
rys. 46 obrazuje kanały kablowe, które zostały wyrwane z elementu
krzywoliniowego podczas jego sprężania. Uszkodzenie spowodowane zostało
brakiem właściwego zbrojenia, przenoszącego siły w płaszczyźnie poziomej,
którymi cięgno działa na beton.
Rys. 45. Uszkodzenie belki kablobetonowej na skutek wyrwania kanałów kablowych wraz
z cięgnami sprężającymi podczas ich naciągu
39
Błędy w projektowaniu i wykonywaniu konstrukcji kablobetonowych zdarzają się
i zapewne zdarzać się będą. Dobrze, jeżeli pomyłki, czy nietrafione decyzje zostaną
wychwycone na etapie wykonywania konstrukcji. Niestety, bywają również przypadki, że
wiedza o popełnionym błędzie staje się dopiero wynikiem ekspertyzy po wystąpieniu awarii
lub katastrofy budowlanej. Oby takich zdarzeń było jak najmniej.
9. Przykłady zastosowań konstrukcji kablobetonowych
Konstrukcje kablobetonowe stosowane są powszechnie na całym świecie do
realizowania odpowiedzialnych konstrukcji budownictwa ogólnego, przemysłowego
i mostowego. Wszędzie tam, gdzie niemożliwe jest zastosowanie klasycznej konstrukcji
żelbetowej ze względu np. na zbyt duże rozpiętości czy trudności z dotrzymaniem warunku
szczelności lub sztywności, możliwe jest zastosowanie konstrukcji sprężonej. Jeśli
konieczna jest znaczna bezwładność elementu ze względu na zabezpieczenie przed
drganiami, jeśli istnieje ryzyko wystąpienia pożaru i typ obiektu narzuca przyjęcie wysokiej
odporności ogniowej konstrukcji, wówczas niemożliwe lub ekonomicznie nieuzasadnione
jest przyjęcie konstrukcji stalowej. Jako alternatywa, zawsze istnieje możliwość
zastosowania konstrukcji sprężonej – strunobetonowej lub kablobetonowej.
Poniżej przedstawione zostaną wybrane przez autora przykłady zastosowania sprężenia
podczas wznoszenia różnego typu obiektów. Oczywiście zamieszczone przykłady nie
wyczerpują olbrzymiego spektrum zastosowań, często jednostkowych, projektowanych
indywidualnie dla jednego obiektu.
Stropy sprężone wykonywane mogą być jako płytowo-słupowe – rys. 46 lub klasyczne
– belkowo-płytowe. Sprężenie wykorzystywane jest do redukcji momentów zginających, sił
ścinających, w tym przebicia oraz w celu minimalizacji ugięć i eliminacji zarysowań. Na
rys. 47 pokazano zasadę pracy sprężenia w stropie płytowo-słupowym.
Rys. 46. Zastosowanie sprężenia do wykonywania stropów sprężonych
Do sprężania stropów stosuje się cięgna z przyczepnością lub bez. Te drugie są obecnie
chętnie stosowane z uwagi na możliwość kształtowania długich tras bez konieczności
stosowania pośrednich kotwień. Wykorzystywane mogą być zarówno cięgna pojedyncze
40
(monostrand) jak i wielosplotowe w płaskich osłonach. Na rys. 48 pokazano przykładowy
strop płytowo-słupowy podczas układania zbrojenia. W ostatnich latach wykonano w Polsce
kilka tego typu konstrukcji. Przykładem może być budynek Platinum Towers w Warszawie,
budynek Wydziału Nauk Społecznych w Gdańsku czy budynek biurowo-administracyjnousługowy w Płocku.
Rys. 47. Zasada działania sprężenia w stropach płytowo-słupowych
Rys. 48. Widok zbrojenia zwykłego i sprężającego w stropie płytowo-słupowym – widok
ogólny i zbrojenie strefy nadsłupowej
Pokonywanie dużych rozpiętości belkami żelbetowymi może być realizowane
z zastosowaniem sprężenia. Belki te mogą być wykorzystywane jako elementy nośne całych
stropów lub być stosowane indywidualnie do przejmowania obciążeń np. od części budynku
położonej nad przejazdem. Przyjmowane mogą być różne schematy statyczne – od
wolnopodpartych po wieloprzęsłowe. Jako przykłady można wymienić Centrum Handlowe
„Złote tarasy”, budynek biurowo-hotelowy „Andersja” w Poznaniu czy parking
wielopoziomowy w Gorzowie Wielkopolskim.
W ostatnim okresie czasu wykonano lub wzmocniono w Polsce przez sprężenie
kilkanaście zbiorników na materiały sypkie lub ciecze. W przypadku nowowznoszonych
obiektów, stosowane był cięgna z przyczepnością, wzmocnienia natomiast realizowane były
przy pomocy zewnętrznych cięgien bez przyczepności. Na rys. 49 pokazano przykładową
realizację zbiornika na silos i na ścieki. Na rys. 50 przedstawiono dwa typy zbiorników –
walcowy i prostopadłościenny oraz możliwości wykorzystania przy ich budowie sprężenia.
41
Rys. 49. Widok zbiorników na cement (fot. ASIS) i na ścieki w trakcie ich realizacji
Rys. 50. Możliwości zastosowania sprężenia wewnętrznego w konstruowaniu zbiorników
Bardzo efektywnym sposobem redukcji liczby dylatacji przy jednoczesnym
wyeliminowaniu nacięć skurczowych i zarysowań w płytach posadzkowych jest
zastosowanie cięgien sprężających bez przyczepności naciąganych we wczesnej fazie
wiązania betonu. W pewnych przypadkach możliwa jest całkowita rezygnacji z dylatacji, co
jest bardzo istotne dla trwałości posadzki, szczególnie w przypadku intensywnego ruchu
wózków widłowych. Na rys. 51 pokazano przykładową posadzkę sprężoną podczas fazy
układania cięgien sprężających w płaskich osłonkach oraz podczas betonowania.
Rys. 51. Zastosowanie sprężenia wewnętrznego do eliminacji dylatacji i zarysowań
w posadzce przemysłowej
42
Ciekawym sposobem wzmocnienia konstrukcji przez sprężenie jest zastosowanie taśm
z włókien niemetalicznych. Metoda ta stosowana jest od niedawna (pierwsze zastosowanie
miało miejsce w Niemczech w 1996r.) ze względu na duże problemy techniczne
z wykształceniem elementów kotwiących taśmy. Włókna niemetaliczne są wrażliwe na
naprężenia poprzeczne, stąd klasyczne rozwiązania zakotwień nie sprawdzały się. Wstępny
naciąg taśm pozwala dużo lepiej wykorzystać ich bardzo dużą wytrzymałość. W klasycznej
metodzie wzmacniania konstrukcji przez doklejenie taśm do powierzchni elementu, taśmy te
włączają się stosunkowo późno do pracy. Naciąg natomiast pozwala na aktywną pracę
zastosowanego wzmocnienia. Pierwsze w Polsce zastosowanie sprężonych taśm z włókien
węglowych miało miejsce przy wzmocnieniu uszkodzonych belek w prefabrykowanej hali
zakładu przemysłowego [13, 14]. Na fot. 52 pokazano widok zakotwienia czynnego podczas
wprowadzania siły sprężającej w konstrukcję.
Rys. 52. Zastosowanie sprężonych taśm z włókien węglowych do wzmocnienia belek [14]
Zaletą stosowania sprężonych taśm z włókien niemetalicznych jest możliwość ich
przyklejenia do elementu konstrukcyjnego po wstępnym naciągnięciu. Dzięki współpracy
wzmocnienia z konstrukcją na całej długości, uszkodzenie elementu w jednym miejscu nie
powoduje zmiany siły na całej długości taśmy, lecz wyłącznie w obrębie uszkodzonej strefy.
Powoduje to powstawanie mniejszych ugięć oraz w efekcie korzystniejszą pracę
konstrukcji.
Wadą włókien niemetalicznych jest ich niska odporność na wysokie temperatury
(porównaj rozdział 5.3.
10. Podsumowanie
Konstrukcje kablobetonowe stosowane są na świecie i w Polsce na skale przemysłową
od ponad 60 lat. W tym czasie wzniesiono z zastosowaniem tej technologii bardzo wiele
budowli. Bardzo często użytkownicy tych obiektów nawet nie zdają sobie sprawy, że stropy
po których się poruszają, dźwigary dachowe, które znajdują się nad ich głowami, mosty, po
których jadą samochodami czy zbiorniki, z których pompowana jest woda do ich mieszkań
43
to często konstrukcje sprężone, o których nośności decydują cięgna, naciągnięte siłami
rzędu kilkuset ton.
Obecnie nie wyobrażamy sobie budowy wielu odpowiedzialnych konstrukcji bez
wykorzystania sprężenia. Postęp technologiczny w dziedzinie materiałów budowlanych,
a przede wszystkim stali sprężającej i betonu oraz doświadczenia zebrane przez
kilkadziesiąt lat stosowania elementów sprężonych powodują, że konstrukcje te należą do
grupy najmniej zawodnych [22].
Projektowanie konstrukcji sprężonych w stosunku do konstrukcji żelbetowych wymaga
od projektantów bardziej zaawansowanej wiedzy. Wykonawcy również powinni
legitymować się wysokimi kwalifikacjami. Nie powinno to jednak nikogo zniechęcać.
Należy zdawać sobie sprawę, że konstrukcje sprężone, a w szczególności kablobetonowe, są
konstrukcjami bardzo odpowiedzialnymi i dlatego przy ich realizacji nie można pozwalać
sobie na błędy, czy podejmowanie nieprzemyślanych decyzji. Dodatkowy nakład pracy
zostanie z pewnością zrekompensowany niepodważalnymi zaletami kablobetonu.
Piśmiennictwo
[1].
[2].
[3].
[4].
[5].
[6].
[7].
[8].
[9].
[10].
[11].
[12].
[13].
Ajdukiewicz A., Mames J.: Konstrukcje z betonu sprężonego, Polski Cement,
Kraków 2004.
Dyduch K., Sieńko R.: Wybrane wyniki weryfikacji doświadczalnej pracy
kablobetonowych dźwigarów dachowych KBOS-18, 50 Konferencja Naukowa
"Krynica 2004", Warszawa-Krynica 2004, t. III, str. 27-34.
Dyduch K.: Konstrukcje sprężone w Podstawy projektowania konstrukcji
żelbetowych i sprężonych wg Eurokodu 2, Praca zbiorowa, Dolnośląskie
Wydawnictwo Edukacyjne, Wrocław 2006.
Collins M. P., Mitchell D.: Prestressed concrete structures, Prentice-Hall, Inc. New
Jersey 1991.
Szydłowski R.: Zastosowanie cięgien bez przyczepności przeciw powstawaniu rys
w młodym betonie, Praca doktorska, Politechnika Krakowska, Kraków 2009.
Zieliński A. – Prefabrykowane betonowe dźwigary sprężone, Arkady, Warszawa
1962.
Katalog Projektów Konstrukcji Sprężonych, wyd. II uzupełnione, Biuro Studiów
i Projektów Typowych Budownictwa Przemysłowego, Warszawa 1956.
Dyduch K, Sieńko R.: Stany graniczne pasów dolnych kablobetonowych dźwigarów
dachowych KBOS, Inżynieria i Budownictwo 12/2008, str. 668-671.
Ajdukiewicz A.: Ostrożność w ocenie stanu dachowych dźwigarów kablobetonowych
na podstawie pomiaru ugięć, VI Sympozjum na temat: Badanie przyczyn
i zapobieganie awariom konstrukcji budowlanych, Szczecin, 2-3 września 1980r., str.
143-148.
PN-B-03264:2002. Konstrukcje betonowe, żelbetowe i sprężone. Obliczenia statyczne
i projektowanie.
PN-EN 1192-1-1:2004/AC:2008. Eurokod 2: Projektowanie konstrukcji z betonu –
Część 1-1: Reguły ogólne i reguły dla budynków.
EN-10138: Prestressing steels.
Derkowski W.: Pierwsze krajowe zastosowanie wstępnie naprężanych taśm
kompozytowych do wzmocnienia konstrukcji hali, Czasopismo Techniczne z. 4A/2007, Kraków, 2007, str. 265-270,
44
[14]. Derkowski W.: RC girders strengthening with pre-tensioned CFRP strips and
composite fabrics, 4th International Conference on FRP Composites in Civil
Engineering (CICE2008), Zurich, Switzerland, 2008.
[15]. PN-EN 1991-1-2:2008: Eurokod 2: Projektowanie konstrukcji z betonu – Część 1-2:
Reguły ogólne. projektowanie z uwagi na warunki pożarowe.
[16]. Michałek J., Wysocki J.: Nośność konstrukcji sprężonych a bezpieczeństwo
pożarowe, Przegląd budowlany, 7-8/2006, str. 42-49,
[17]. Neville A. M.: Właściwości betonu, Polski Cement, Kraków 2000.
[18]. Naaman A. E.: Prestresed Concrete Analysis and Design. McGraw-Hill, 1982.
[19]. Derkowski W., Dyduch K., Sieńko R.: Wzmacnianie konstrukcji żelbetowych przez
sprężenie, XXI Ogólnopolska Konferencja Warsztat Pracy Projektanta Konstrukcji,
Szczyrk, 2006, tom III, str. 27-64.
[20]. Sieńko R.: Systemy monitorowania obiektów mostowych, Materiały Budowlane, nr
4/2008.
[21]. Sieńko R.: System monitorowania mostu w Puławach, Mosty 4/2009, str. 12-17.
[22]. Nawy E. G.: Prestressed Concrete. A Fundamental Approach. Prentice-Hall, 2006.
45